AN2650
Application note
L9942 stepper motor driver for bipolar stepper motors
Introduction
The L9942 is an integrated stepper motor driver for bipolar stepper motors. The device is
designed for automotive applications, such as headlamp leveling, steerable lights and
adaptive front lighting. Other applications, such as ventilation and air conditioning flap and
throttle positioning are also possible uses for the L9942.
The device drives bipolar stepper motors with high-efficiency and smooth operation. Micro-
stepping is the preferred mode to provide low-noise operation since this technique
eliminates the effects of mechanical resonances, which can lower the motor torque.
A motor stall detection capability allows position alignment without an external sensor, while
its step counter is addressable via an SPI as well as by a separate input, to prevent the SPI
overloading when running multiple motors simultaneously.
December 2013
DocID14109 Rev 3
1/26
www.st.com
Contents
AN2650
Contents
1
Typical application schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1
1.2
Calculation of the buffer capacitor Cbuffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Low drop reverse polarity protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2
Shorted coil detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
3
SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1
3.2
Fault bit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
SPI communication monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4
Decay modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1
4.2
4.3
Slow decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Fast Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Advanced decay modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3.1
4.3.2
Mixed decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Auto decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5
Stall detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.1
5.2
Internal functionality (simplified) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
How to determine the stall threshold at bench test . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6
Duty cycle for current regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.1
6.2
Minimum duty cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Maximum duty cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
7
Power dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
7.1
7.2
7.3
7.4
Static ON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Static freewheeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Dynamic slew rate power dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Power dissipation for one PWM phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
8
PCB footprint proposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
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AN2650
Contents
9
Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
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3/26
3
List of tables
AN2650
List of tables
Table 1.
Table 2.
Phase counter values for fast decay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Document revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
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AN2650
List of figures
List of figures
Figure 1.
Figure 2.
Figure 3.
Figure 4.
Figure 5.
Figure 6.
Figure 7.
Figure 8.
Figure 9.
Figure 10.
Figure 11.
Figure 12.
Figure 13.
Figure 14.
Application schematic diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Low drop reverse polarity protection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Stepping modes (Auto decay mode, fast decay without delay time) . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Auto decay, fast decay without delay time at phase 0 and 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
SPI transfer timing diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Slow decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Fast decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Mixed decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Auto decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Stall detection function overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Cross current protection time and slew rate for maximum DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Current flow and voltage drop during fast decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Power SSO24 solder mask layout (all values in mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Power SSO24 solder mask opening (all values in mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
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