H橋電機驅(qū)動電路設(shè)計與解析

一、簡介

之前介紹過H橋電機驅(qū)動電路的基本原理，但是以集成的電機驅(qū)動芯片為示例。這些集成的芯片使用起來比較簡單，但是只能適用于一些小電流電機，對于大電流的電機(比如：RS380和RS540電機），則不能使用這些集成的芯片（否則會導(dǎo)致芯片嚴(yán)重發(fā)熱并燒毀）。

此時便需要自行用半橋/全橋驅(qū)動芯片和MOS管搭建合適的H橋電機驅(qū)動電路實現(xiàn)對大電流電機的驅(qū)動控制。

二、示例原理圖和PCB展示

此原理圖和PCB采用的是網(wǎng)上分享的電路設(shè)計（IR2104半橋驅(qū)動+LR7843MOS管），為了便于焊接，對其中的一些封裝進行了修改，并重新布線。

該電機驅(qū)動板有兩個H橋電路，可以同時控制雙路電機。可通過相應(yīng)的控制信號來控制電機的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。

1.原理圖

2.PCB 3D圖

三、輔助電路部分講解

本驅(qū)動模塊默認(rèn)采用7.4V的鋰電池組接入右側(cè)的P1端子進行供電。

1、BOOST升壓電路

★BOOST升壓電路采用的是MC34063這款芯片。此模塊主要是將7.4V的輸入電壓升到12V后為后面的IR2104S半橋驅(qū)動芯片供電（需要12V的原因?qū)⒃谙旅娼榻B）。此芯片的工作原理在此不多做介紹，可自行下載數(shù)據(jù)手冊進行學(xué)習(xí)（后期會對此專門寫一篇博客介紹）。

注意事項：

(1).此BOOST電路模塊是此驅(qū)動板中較為容易出問題的部分，因此焊接時需要先對其進行焊接調(diào)試，確認(rèn)沒有問題后再進行后續(xù)的焊接。

(2).此電路需要尤其注意0.22Ω的精密電流檢測電阻，如果電阻質(zhì)量不合格很容易出現(xiàn)問題，導(dǎo)致電路不能正常工作。

2、降壓穩(wěn)壓電路

★降壓穩(wěn)壓電路采用的是MIC5219這款LDO芯片。此電路模塊將7.4V的輸入電壓降壓穩(wěn)壓到3.3V給后面的74LVC245芯片供電。類似芯片較多，使用也較為簡單。

如需要詳細(xì)了解其工作原理，可參看此篇文章：深入理解LDO

3、隔離電路部分

在設(shè)計電機驅(qū)動板時，很多都會有一個用于隔離的電路模塊。主要用于將控制器與H橋驅(qū)動電路隔離開，防止損壞控制器。

此電機驅(qū)動板采用了74lvc245這款三態(tài)輸出的收發(fā)器芯片作為隔離芯片。也可以使用74HC125（三態(tài)四線非反相緩沖器）或74HC244（三態(tài)八線非反相緩沖器）。具體使用說明可參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊。

四、搭建的H橋驅(qū)動電路詳解

1、簡介

在學(xué)習(xí)此部分之前，需要先掌握基礎(chǔ)H橋驅(qū)動的工作原理，具體可參看此篇博客：電機驅(qū)動芯片（H橋、直流電機驅(qū)動方式）

自行搭建的H橋驅(qū)動電路一般都包括兩個部分：半橋/全橋驅(qū)動芯片和MOS管。自行搭建的H橋驅(qū)動所能通過的電流幾乎由MOS管的導(dǎo)通漏極電流所決定。因此，選擇適當(dāng)?shù)腗OS管，即可設(shè)計出驅(qū)動大電流電機的H橋驅(qū)動電路。

2、NMOS管IRLR7843

在選擇MOS管搭建H橋時，主要需注意以下一些參數(shù)：

★1.漏極電流（Id）：該電流即限制了所能接入電機的最大電流（一般要選擇大于電機堵轉(zhuǎn)時的電流，否則可能在電機堵轉(zhuǎn)時燒毀MOS管），LR7843的最大漏極電流為160A左右，完全可以滿足絕大部分電機的需要。

★2.柵源閾值電壓/開啟電壓（Vth）：該電壓即MOS管打開所需的最小電壓，也將決定后續(xù)半橋驅(qū)動芯片的選擇和設(shè)計（即芯片柵極控制腳的輸出電壓）。LR7843的最大柵源閾值電壓為2.3V。

★3.漏源導(dǎo)通電阻（Rds）：該電阻是MOS管導(dǎo)通時，漏極和源極之間的損耗內(nèi)阻，將會決定電機轉(zhuǎn)動時，MOS管上的發(fā)熱量，因此一般越小越好。LR7843的漏源導(dǎo)通電阻為3.3mΩ。

★4.最大漏源電壓（Vds）：該電壓是MOS管漏源之間所能承受的最大電壓，必須大于加在H橋上的電機驅(qū)動電壓。LR7843的最大漏源電壓為30V。滿足7.4V的設(shè)計需要。

3、半橋驅(qū)動芯片IR2104S

在H橋驅(qū)動電路中，一共需要4個MOS管。而這四個MOS管的導(dǎo)通與截止則需要專門的芯片來進行控制，即要介紹的半橋/全橋驅(qū)動芯片。

★所謂半橋驅(qū)動芯片，便是一塊驅(qū)動芯片只能用于控制H橋一側(cè)的2個MOS管（1個高端MOS和1個低端MOS，在前述推薦的博客中有介紹）。因此采用半橋驅(qū)動芯片時，需要兩塊該芯片才能控制一個完整的H橋。

★相應(yīng)的，全橋驅(qū)動芯片便是可以直接控制4個MOS管的導(dǎo)通與截止，一塊該芯片便能完成一個完整H橋的控制。

這里使用的IR2104便是一款半橋驅(qū)動芯片，因此在原理圖中可以看到每個H橋需要使用兩塊此芯片。

1、典型電路設(shè)計（來源于數(shù)據(jù)手冊）

2、引腳功能（來源于數(shù)據(jù)手冊）

★VCC為芯片的電源輸入，手冊中給出的工作電壓為10~20V。（這便是需要boost升壓到12V的原因）

★IN和SD作為輸入控制，可共同控制電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)（轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和是否轉(zhuǎn)動）。

★VB和VS主要用于形成自舉電路。（后續(xù)將詳細(xì)講解）

★HO和LO接到MOS管柵極，分別用于控制高端和低端MOS的導(dǎo)通與截止。

★COM腳直接接地即可。

3、自舉電路

此部分是理解該芯片的難點，需要進行重點講解。從上面的典型電路圖和最初的設(shè)計原理圖中均可發(fā)現(xiàn)：該芯片在Vcc和VB腳之間接了一個二極管，在VB和VS之間接了一個電容。這便構(gòu)成了一個自舉電路。

作用：在高端和低端MOS管中提到過，由于負(fù)載（電機）相對于高端和低端的位置不同，而MOS的開啟條件為Vgs>Vth，這便會導(dǎo)致想要高端MOS導(dǎo)通，則其柵極對地所需的電壓較大。

補充說明：因為低端MOS源極接地，想要導(dǎo)通只需要令其柵極電壓大于開啟電壓Vth。而高端MOS源極接到負(fù)載，如果高端MOS導(dǎo)通，那么其源極電壓將上升到H橋驅(qū)動電壓，此時如果柵極對地電壓不變，那么Vgs可能小于Vth，又關(guān)斷。因此想要使高端MOS導(dǎo)通，必須想辦法使其Vgs始終大于或一段時間內(nèi)大于Vth（即柵極電壓保持大于電源電壓+Vth）。

首先看下IR2104S的內(nèi)部原理框圖（來源于數(shù)據(jù)手冊）。此類芯片的內(nèi)部原理基本類似，右側(cè)兩個柵極控制腳（HO和LO）均是通過一對PMOS和NMOS進行互補控制。

自舉電路工作流程圖：

以下電路圖均只畫出半橋，另外一半工作原理相同因此省略。

假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的開啟電壓Vth=6V（不用LR7843的2.3V，原因后續(xù)說明）。

（1）.第一階段：首先給IN和SD對應(yīng)的控制信號，使HO和LO通過左側(cè)的內(nèi)部控制電路（使上下兩對互補的PMOS和NMOS對應(yīng)導(dǎo)通），分別輸出低電平和高電平。此時，外部H橋的高端MOS截止，低端MOS導(dǎo)通，電機電流順著②線流通。同時VCC通過自舉二極管（①線）對自舉電容充電，使電容兩端的壓差為Vcc=12V。

（2）.第二階段：此階段由芯片內(nèi)部自動產(chǎn)生，即死區(qū)控制階段（在H橋中介紹過，不能使上下兩個MOS同時導(dǎo)通，否則VM直接通到GND，短路燒毀）。HO和LO輸出均為低電平，高低端MOS截止，之前加在低端MOS柵極上的電壓通過①線放電。

（3）.第三階段：通過IN和SD使左側(cè)的內(nèi)部MOS管如圖所示導(dǎo)通。由于電容上的電壓不能突變，此時自舉電容上的電壓（12V）便可以加到高端MOS的柵極和源極上，使得高端MOS也可以在一定時間內(nèi)保持導(dǎo)通。此時高端MOS的源極對地電壓≈VM=7.4V，柵極對地電壓≈VM+Vcc=19.4V，電容兩端電壓=12V，因此高端MOS可以正常導(dǎo)通。

（此時，自舉二極管兩端的壓差=VM，因此在選擇二極管時，需要保證二極管的反向耐壓值大于VM。）

注意：因為此時電容在持續(xù)放電，壓差會逐漸減小。最后，電容正極對地電壓（即高端MOS柵極對地電壓）會降到Vcc，那么高端MOS的柵源電壓便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V < Vth=6V，高端MOS仍然會關(guān)斷。

補充總結(jié)：

★因此想要使高端MOS連續(xù)導(dǎo)通，必須令自舉電容不斷充放電，即循環(huán)工作在上述的三個階段（高低端MOS處于輪流導(dǎo)通的狀態(tài)，控制信號輸入PWM即可），才能保證高端MOS導(dǎo)通。自舉二極管主要是用來當(dāng)電容放電時，防止回流到VCC，損壞電路。

★但是，在對上面的驅(qū)動板進行實際測試時會發(fā)現(xiàn)，不需要令其高低端MOS輪流導(dǎo)通也可以正常工作，這是因為即使自舉電容放電結(jié)束，即高端MOS的柵源電壓下降到4.4V仍然大于LR7843的Vth=2.3V。

那么在上述驅(qū)動板中，自舉電路就沒有作用了嗎?當(dāng)然不是，由于MOS管的特性，自舉電路在增加?xùn)旁措妷旱耐瑫r，還可令MOS管的導(dǎo)通電阻減小，從而減少發(fā)熱損耗，因此仍然建議采用輪流導(dǎo)通的方式，用自舉電容產(chǎn)生的大壓差使MOS管導(dǎo)通工作。

4.控制邏輯

時序控制圖：

簡單看來，就是SD控制輸出的開關(guān)（高電平有效），IN控制柵極輸出腳的高低電平（即H橋MOS管的開關(guān)）。

在最上面的驅(qū)動板中，SD接到VCC，即處于輸出常開狀態(tài)。只需要對IN腳輸入對應(yīng)控制信號即可進行電機的驅(qū)動。

上面為半橋的驅(qū)動方式，驅(qū)動一個H橋要同時對兩個IR2104進行控制。

以上面設(shè)計的電機驅(qū)動板為例，驅(qū)動真值表：

改變PWM的占空比，即可改變電機的轉(zhuǎn)速。

五、相關(guān)補充

★1.自舉二極管一般選用肖特基二極管（比如上述驅(qū)動板中的1N5819）。

在自舉電容選擇時，其耐壓值需大于Vcc并留有一定余量（如上述驅(qū)動板中為16V的鉭電容）。而自舉電容的容值選擇需要一定的計算。具體可自行查找或參看此鏈接：自舉電容的選擇。此驅(qū)動板中選用1uF的鉭電容，經(jīng)測試運行穩(wěn)定。一般來說，PWM的輸入頻率越大（即電容充放電頻率），電容所需容值越小。

★2.H橋MOS管柵極串聯(lián)的電阻主要用于限流和抑制振蕩。為了加快MOS管的關(guān)斷還可以在柵源之間并聯(lián)一個10K電阻或在柵極串聯(lián)電阻上反向并聯(lián)一個二極管。這部分內(nèi)容網(wǎng)上可找到較多介紹。