Schrittmotortreiber TMC2130 Hitzeentwicklung

[Bert S. (kautschuck)]

Hi,

Ich habe ein Board einem TMC2130 Schrittmotortreiber entwickelt und der 
Schrittmotor läuft absolut geräuschlos, jedoch entwickelt der IC enorme 
Hitze, die ich nur mit einem zusätzlichen Kühlkörper abführen kann. Das 
Thermal Pad hat mehrere Durchkontaktierungen direkt auf die GND Plane 
und läuft mit je 0.2Ohm Shunts, was einem Strom von etwa 1A RMS 
entspricht.

Jemand eine Idee, warum der TMC2130 im Stealth Chop mode so extrem warm 
wird? Ohne Kühler kommt der direkt in den Thermal Shunt Down nach etwa 1 
Minute (etwa 120°C). Mit einem kleinen Kühlkörper aus Kupfer (40°K/W) 
kommt der IC noch auf gute 65°C. Der IC hat ja auch einige NC Pins, 
welche dann ein zusätzliches Abführen der Wärme verunmöglichen.

https://www.trinamic.com/fileadmin/assets/Products/ICs_Documents/TMC2130_datasheet.pdf

[Wolfgang (Gast)]

Bert S. schrieb:
> Jemand eine Idee, warum der TMC2130 im Stealth Chop mode so extrem warm
> wird?

Wieviel Eingangsspannung gibst du denn dem internen Spannungsregler?

[Bert S. (kautschuck)]

Wolfgang schrieb:
> Wieviel Eingangsspannung gibst du denn dem internen Spannungsregler?

Ok, ich sehe das Problem, ja der bekommt die vollen 20V. Kein Wunder, 
dass der so warm wird.

[Bert S. (kautschuck)]

Ich habe mal nur 6V Eingangsspannung verwendet, jedoch wird der TMC2130 
auch hier um die 65°C warm. Der Lineare Spannungsregler scheint nicht 
wirklich viel zu verbraten.

[Bert S. (kautschuck)]

Ich habe folgendes gefunden (Manual Seite 16):

"When operating at supply voltages up to 46V for VS and VSA, the 
internal linear regulator will
contribute with up to 1W to the power dissipation of the driver. This 
will reduce the capability of the
chip to continuously drive high motor current, especially at high 
environment temperatures. When no
external power supply in the range 5V to 24V is available, an external 
pre-regulator can be built with
a few inexpensive components in order to dissipate most of the voltage 
drop in external components."

Mit meinen 20V bin ich da noch völlig im Rahmen und ich denke nicht, 
dass die Leistungsaufnahme vom LVR kommt, da erst bei 46V eine Leistung 
von 1W anfällt, ich aber locker 2W verbrate. Kann es sein, dass der 
Stealth Chop Mode aufgrund der hohen frequenz zu mehr Verlusten führt 
als bei einem herkömmlichen Schrittmotortreiber?

[L. N. (derneumann)]

ich habe die TMC2130 noch nie ohne kühler in betrieb gesehen. oft werden 
zusätzlich sogar lüfter verwendet. die thermal vias die du gemacht hast 
sind sowieso pflicht.

Über ein TO-220 Gehäuse kann man 1W ohne Kühlkörper ganz gut abführen. 
Wie viel willst du gleich nochmal über dieses winzige QFN abgeben (ohne 
Kühlkörper)??

[Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann)]

Wenn du schon ein nur 2-lagiges Layout nehmen musst, würde ich 
versuchen, die Massefläche auf der Oberseite so weit es geht zu 
vergrößern. An den Ecken kommst du damit auch zwischen den Pins durch 
und kannst dann außerhalb des IC-Gehäuses weitere Fläche belegen. 
Zusätzlich kannst du dort weitere Vias unterbringen, um die Wärme auch 
nach unten wegzubringen.
Auch die Führung der 4 Ausgangsleitungen auf der Unterseite ist 
ungünstig, weil du dir damit deine Kühlfläche unnötig abschnürst.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[Bert S. (kautschuck)]

Thorsten O. schrieb:
> Auch die Führung der 4 Ausgangsleitungen auf der Unterseite ist
> ungünstig, weil du dir damit deine Kühlfläche unnötig abschnürst.

Ich habe die Abwärme ein wenig unterschätzt, da ich bisher nie 
thermische Probleme mit Schrittmotortreibern anderer Hersteller hatte. 
Nun habe ich aber den Shunt auf 0.6A eingestellt und zusammen mit dem 
Kühlkörper komme ich auf maximal 45°C, was ich so akzeptieren kann, da 
ich auch nicht mehr Leistung an den Motoren brauche. Für zukünftige 
Entwicklungen wäre sicher ein 4 Layer Layout besser, wobei mann dann 
mindestens 2 Masseflächen wählt und auch auf der Oberseite sollte mehr 
Massefläche vorhanden sein und evtl. auch die Leiterbahnen direkt nach 
dem IC um einiges vergrössern, so 30mil.

Ich habe auch bemerkt, dass unterschiedliche Schrittmotoren den Treiber 
sehr unterschiedlich beanspruchen, so wird bei einem Motor fast die 
ganze Leistung im Treiber verbraten und bei einem anderen im Motor 
selbst, wobei sich dann der Treiber natürlich fast nicht erwärmt. Die 
Motoren sind beide mit 1A für den Treiber ausgelegt, woher kann das 
kommen?