基于NSD8389评估板快速测试电子膨胀阀

前言

最近在支持一些热管理客户时，发现单板控制的电子膨胀阀(下文简称EXV)数量急剧上涨，从4个到8个不等。使用的方案也基本是一颗M7内核的MCU加多个步进电机驱动，用于驱动多个EXV以及AGS；同时这颗M7内核的MCU也会带3个左右的预驱，用于驱动多个水泵以及冷却风扇。

当前已量产的方案中，使用的步进电机驱动芯片中最常见的是TI的DRV8889。新开发的方案因为降本和国产化的要求，很多客户会选择纳芯微的NSD8389去进行替换，因为两者软硬件基本兼容，替换工作量不大。

下文先介绍NSD8389的软硬件特性，然后基于实际的测试案例，分享如何使用纳芯微的评估板测试EXV，快速评估方案的可行性。

1.芯片简介

1.1 芯片概述

NSD8389是一款高性能的双极性步进电机驱动芯片，专为汽车应用设计，如车灯位置调整、HUD投影仪调节执行器以及热管理中的阀门或BDC电机等。它支持高达1.5A的全量程电流，具备从全步到1/256微步的多种步进模式，能够实现步进电机的平稳运动。

1.2 主要特性

• **宽工作电压范围：**4.5V至36V，适用于多种电源环境。
• **低导通电阻：**每路桥驱的内阻典型值为900mΩ（HS + LS），有助于降低功耗。
• **驱动电流灵活可配：**满量程最大电流为1.5A，可通过外部电阻以及内部寄存器组合配置。
• **多种步进模式：**提供全步、半步以及高达1/256微步的多种步进模式，满足不同精度需求。
• **可编程输出级斜率/死区时间：**可根据应用需求灵活配置。
• **多种衰减模式选择：**包括慢衰减、快衰减和混合衰减模式，优化电流控制。
• **内部集成电流检测：**无需外部检测电阻，简化电路设计。
• **支持展频功能：**通过展频功能优化EMC。
• **低功耗睡眠模式：**在睡眠模式下，静态电流极低，适合节能应用。
• **SPI接口：**支持菊花链连接，便于多芯片扩展和集中控制。
• **全面的保护功能：**包括欠压、过流、过温保护，以及开路负载检测和堵转检测。

1.3 应用场景

NSD8389目前已经量产，目前接触的很多零部件厂商都在新项目中使用NSD8389，如汽车大灯调节、汽车HUD的角度调整、电子膨胀阀和电动出风口的执行器等。

2.硬件设计

NSD8389有HTSSOP24和VQFN24两种封装，目前EXV应用大多选择VQFN24这种小封装。

NSD8389的引脚包括电源引脚、步进电机控制引脚（如STEP、DIR）、SPI通信引脚（如SCK、SDI、SDO、NCS）、电流设置引脚（VREF）以及故障指示引脚（nFAULT）等。

2.1 应用框图

NSD8389的应用框图如下：

2.2 电源部分

• **电荷泵：**相关引脚为CPL、CPH和VCP；CPL和CPH之间通过22nF相连，VCP串联一个220nF连接到主电源供电引脚。电荷泵的内部框图如下。

• **主电源：**相关引脚为VSA、VSB；VSA和VSB需要相连，并且旁边并联22uF的电解电容和100nF的陶瓷电容，防止VSA和VSB引脚在电机停止时出现电尖峰或过应力。VSA和VSB的工作电压范围为4.5V到36V。

• **内部LDO：**相关引脚为VINT，为内部LDO的解耦输出引脚，内部框图如下。需要在外部接一个470nF的陶瓷电容。当EN引脚拉低时，该LDO关闭输出。

注意：VINT引脚虽然是内部LDO的输出引脚，但是电流很小，不能用于外部器件供电，也不能接外部LDO的输出引脚。

• **数字电路供电：**相关引脚为VDDIO，为内部数字电路的电源输入引脚，供电范围为3V-5.5V，建议旁边放一个100nF的X7R陶瓷电容。

2.3 MCU控制引脚

• **器件使能引脚：**相关引脚为EN，内部带100KΩ下拉电阻。如下图所示，当EN从高拉低12us之后，错误状态会清除；当拉低56us之后，芯片寄存器以及内部逻辑会复位，电荷泵和输出关闭，芯片进入睡眠模式。当EN从低拉高12us之后，并且VDDIO和VS没有欠压，芯片会启动上电序列；当拉高200us之后，MCU可以通过SPI和NSD8389通信，拉高900us之后，NSD8389内部电路都开始正常工作。

• **输出使能引脚：**相关引脚为DRVOFF，内部带100KΩ上拉电阻。如下表所示，需要和寄存器中的DRV_DIS bit一起配合，用于使能输出。

• **SPI通信引脚：**相关引脚为SCK、NCS、SDI、SDO，NCS内部带100KΩ上拉电阻，SCK、SDI内部带100KΩ下拉电阻。

• **电机控制引脚：**相关引脚为DIR和STEP,前者控制电机方向，后者控制电机速度。如果MCU引脚资源有限，也可以使用寄存器替代这两个引脚的功能。

• **故障反馈引脚：**相关引脚为nFAULT，为开漏结构，外部需要接4.7KΩ或10KΩ上拉电阻到VDDIO，当发生过流、过温、开路、堵转等故障，nFAULT会拉低。

2.4 输出引脚

相关引脚为OUTA1、OUTA2、OUTB1、OUTB2，用于接步进电机的A、B线圈。不同step时刻对应的OUT引脚电流大小以及方向，参考NSD8389手册Step translator of micro step modes表格。

2.5 电流配置引脚

相关引脚为VREF，该引脚最大输入电压为3.3V。VREF电压需要配合CONFIG_1控制寄存器的IFS_DAC[3:0]去设置输出电流的最大值。计算公式和IFS_DAC[3:0]的说明如下：

VREF引脚的电压可以通过外部分压电路（固定电压）或者MCU的DAC外设（可调电压）或者MCU的PWM外设加RC电路（可调电压）去设置。

3.软件驱动

3.1 SPI通信

MCU通过SPI接口读写NSD8389的寄存器，从而实现对NSD8389的配置、控制和状态读取。如下是NSD8389的SPI接口要求。

• NSD8389的SDI引脚的数据如下表。

• NSD8389的SDO引脚的数据格式如下表。

3.2 寄存器

NSD8389的寄存器总表如下：

总的来说，一共有两大类寄存器，分别为状态寄存器和控制器寄存器，下文对两类寄存器进行介绍。

3.2.1 状态寄存器

STA_0、STA_1、STA_2三个状态寄存器的描述如下：

• FAULT用于指示nFAULT引脚的电平状态；
• SPI_ERRORbit用于只是SPI通信是否发生错误；
• VSUV、CPUV、OC、OPL、UTW、OTW、OTSD、STALL等bit用于指示是否发生欠压、过流、开路、温度异常、堵转等故障；
• OC_OUTB2_LS、OC_OUTB2_HS等bit用于指示相关输出通道是否发生过流；
• OPL_OUTB、OPL_OUTA用于指示A、B通道是否发生开路。

3.2.2 控制寄存器-电机驱动相关

和电机驱动相关的配置主要在CONFIG_1、CONFIG_2、CONFIG_3三个寄存器，描述如下：

• IFS_DAC[3:0]用于配置输出通道的最大电流相比满量程电流的缩减比例，满量程电流由VREF引脚的电压决定，详情参考前文的描述。

• SR_SEL[1:0]用于配置输出通道的压摆率（slew rate）。

• DRV_DIS用于配合EN引脚和DRVOFF引脚控制输出通道使能，详情参考前文的描述。

• TOFF_SEL[1:0]用于设置NSD8389进行电流闭环控制时的OFF phase时间。

• DECAY_SEL[2:0]用于配置NSD8389进行电流闭环控制时的OFF phase段的续流方式。

• SPI_DIR、SPI_STEP用于配置步进电机的DIR和STEP信号来源于外部引脚，还是通过SPI配置。

• DIR、STEP在SPI_DIR、SPI_STEP都为1时，作为驱动芯片的DIR信号和STEP信号来源。

• STEPPER_MODE[3:0]用于配置步进电机的细分模式。

3.2.3 控制寄存器-诊断相关

CONFIG_4和CONFIG_5寄存器用于诊断相关的配置，描述如下：

• CLR_FLT用于清除错误状态。

• LOCK[2:0]用于锁住寄存器配置，CLR_FLT不受影响。

• OPL_ON_EN用于开启输出通道开路诊断。

• OCP_MODE用于配置过流事件发生之后芯片是否自动恢复。

• OTSD_MODE用于配置过温关断事情发生之后芯片是否自动恢复。

• TW_NMASK_FLT用于配置温度异常事件是否反馈到nFAULT引脚。

• STALL_EN用于配置是否开启堵转检测。

• STALL_NMASK_FLT用于配置堵转事件是否反馈到nFAULT引脚。

• OPL_FLT[1:0]用于配置开路检测的过滤时间。此配置只对NSD8389A有效，NSD8389固定为200ms。

• TBLANK_SR_EN用于配置Tblank的时间。此配置只对NSD8389A有效，NSD8389固定为0.5us。

3.2.3 控制寄存器-堵转相关

堵转检测相关的寄存器主要是CONFIG_9、CONFIG_10、CONFIG_11、CONFIG_12、CONFIG_13、CONFIG_14。

NSD8389堵转检测的原理也和NSD8381一样，这里就不赘述了。有兴趣的可以参考笔者之前的文章和NSD8389的数据手册。

• 如何使用NSD8381的堵转检测功能

3.2.4 控制器寄存器-其它

CONFIG_8寄存器包含芯片ID，为4bit数据，可以用来识别芯片是NSD8389还是NSD8389A。

CONFIG_15寄存器包含芯片展频设置、HOLD模式配置、电流调节过滤时间配置。

CONFIG_16寄存器包含VS过压检测、细分相序计数高2位。

CONFIG_17寄存器用于保存细分相序计数低8位。

CONFIG_18寄存器用于保存芯片结温。

3.3 电流调节

NSD8389的驱动电流的调节示意图如下：

上图几个参数的说明如下：

• ITRIP为NSD8389在每个相序需要设定的电流值。

• tDRIVE为NSD8389驱动阶段的时间，即电流调节ON Phase的时间；其中包含的tBLANK为驱动管刚开启时的一小段时间（一般几us），这段时间会关闭电流监控，因为驱动管刚开启时会有毛刺，采集的相电流不准。

• tOFF为NSD8389驱动关闭的时间，即电流调节OFF Phase阶段的时间。

NSD8389的tBLANK时间固定为0.5us；NSD8389A的tBLANK时间和两个寄存器的配置相关，如下表所示。

在OFF Phase阶段，选择不同的续流方式，整体电流上升、下降阶段的波形也不一样，电机噪音也不一样。

如上图所示，虽然NSD8389可以配置8种decay模式，但本质上还是对Slow decay和Fast decay进行不同的组合。

3.4 步进电机控制

• **步进更新：**通过STEP信号或SPI接口的STEP位，控制步进电机的步进更新。可以通过更改STEP信号的频率以实现不同的步进速度。需要注意PWM信号的高电平持续时间不能小于2us。

• **方向控制：**通过DIR信号或SPI接口的DIR位，控制步进电机的旋转方向。

• **保持模式：**在HOLD模式下，步进电机的相位保持不变，可以通过SPI接口的HOLD_MODE_EN位进入或退出保持模式。

3.5 故障处理

NSD8389的故障总表如下，包含了故障发生条件以及恢复条件。

4.性能测试

4.1 电子膨胀阀的常见需求

笔者目前接触了多家的EXV，和电机驱动芯片相关的参数都差不多。如下是摘录的三家产品手册标注的参数，空白部分为产品手册缺失的数据。其中励磁速度是按1/2细分去计算的。

EXV参数	厂家A	厂家B	厂家C
驱动电压	9-16V	9-16V	9-16V
驱动方式	2相8拍	2相8拍	2相8拍
额定电流	260mA	≤0.5A
开阀脉冲	32±20P	38±15P	38±15PS
励磁速度	30~100PPS		80~200PPS
全开脉冲数		576P	576P

下图是某个EXV厂家的励磁方式和开、闭阀的关系图，其它EXV厂家基本一致，偶尔有些厂家开闭阀的相序和下图是相反的。

结合笔者对多家EXV的现场调试和客户的测试工程师的沟通，关于使用NSD8389驱动EXV的配置推荐如下。

• NSD8389的工作电压控制在9-16V，驱动电路控制在500mA以内；有条件的话，VREF引脚前期调试接一个可调电压源,方便实时调节驱动电流。

• NSD8389的细分模式选择普通的1/2细分，即STEPPER_MODE[3:0]赋值为0011，给STEP引脚的PWM信号的频率为100Hz，即1/2细分下，励磁速度为100PPS。

• NSD8389的输出引脚和EXV的接线方法为OUTA1、OUTA2接EXV的B相+、B相-；OUTB1、OUTB2接EXV的A相+、A相-。

4.2 实际测试

本次测试使用纳芯微的NSD8389官方demo板，测试环境如下图。

1. S32DS导入NSD8389的驱动例程S32K144_NSD8389_Demo_241120A.zip(需要找纳芯微原厂申请)。

2. 按照实际需要修改电机的步距角配置。

3. 如果需要电机自动正反转，需要打开下面的函数。

4. 将代码烧录进MCU底板，并打开工程目录下的freemaster文件。

5. 将Freemaster工程中的elf文件替换成最新的。

6. 下图为Freemaster界面中对NSD8389和电机运行的一些可配置参数。用户可以跟进自己需要进行配置并观察效果。

7. 最终测得的电流波形如下图，没有出现过多的尖峰，所以失步的发生概率很低。

---

如果觉得本文对你有用，帮忙给个一键三连！！！