當(dāng)某個(gè)組件需要比微控器GPIO引腳更大的拉電流時(shí)，你該如何處理？資料下載

作者：Michael Parks, Mouser Electronics 幾乎在經(jīng)典科幻電視劇《星際迷航》的每一集中，無論發(fā)生何種災(zāi)難，這一天的結(jié)尾永遠(yuǎn)是Kirk船長呼叫總工程師Scotty并且要求更大的動(dòng)力！在該虛構(gòu)的企業(yè)號(hào)航空母艦中，假設(shè)該二十三世紀(jì)的明星戰(zhàn)艦依然是由電子驅(qū)動(dòng)，那么艦上的電路必須非常健壯，以快速處理尖峰并提供動(dòng)力。對于仍停留在第二十一世紀(jì)工程師和制造商，嵌入式電子項(xiàng)目毫無疑問使用電子來驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)計(jì)師不能只是假設(shè)他們選擇的嵌入式平臺(tái)的拉電流或者灌電源可以確保所有部件正常工作。良好的設(shè)計(jì)，選擇合適的元器件，并仔細(xì)閱讀產(chǎn)品說明書，這三個(gè)要求都滿足才能保證項(xiàng)目安全可靠。 圖1：來源 讓我們來看看在建立新的嵌入式項(xiàng)目時(shí)需要考慮的兩個(gè)問題。 ? 當(dāng)某個(gè)組件需要比微控器GPIO引腳更大的拉電流時(shí)，你該如何處理？ ? 當(dāng)微控器連接到一個(gè)步進(jìn)電機(jī)類似的電感負(fù)載時(shí)，你該如何保護(hù)該控制器？ 驅(qū)動(dòng)大負(fù)載 許多微控器的GPIO引腳僅支持很小的拉電流，大約只在40mA左右（數(shù)據(jù)手冊是工程師的最好朋友）。一定要閱讀您選定的MCU的數(shù)據(jù)手冊。在某些應(yīng)用中，這樣大的電流已經(jīng)夠用，但有時(shí)你需要比微控器GPIO引腳更大的拉電流。其中一個(gè)例子是驅(qū)動(dòng)需要控制較遠(yuǎn)距離的紅外LED 或者是連接較大的電機(jī)。因此，你可能需要利用外部電源，以安全地獲取所需電流。這樣做的一個(gè)簡易方法是使用一個(gè)PNP晶體管（PN2222 是一個(gè)不錯(cuò)的先行嘗試，然后再加入幾個(gè)限流電阻即可。GPIO引腳將僅驅(qū)動(dòng)NPN晶體管的基極，然后從外部電源得到從集電極到發(fā)射極的一個(gè)更大電流并驅(qū)動(dòng)負(fù)載。需要注意的是，你必須把微控器和外部電源的地連接在一起。也一定要選擇一個(gè)基級(jí)電阻值，以驅(qū)動(dòng)晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)。 圖2： 使用NPN晶體管以使微控器處理更大的電流需求。 避免“反沖”電感電壓 電感性負(fù)載，比如步進(jìn)電機(jī) ，因?yàn)槲锢硖匦?，在電流通過電感時(shí)會(huì)表現(xiàn)出一個(gè)副效應(yīng)。原則上，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)采用相同的電機(jī)工作概念，只是能量轉(zhuǎn)換方向是相反的。所以想象一下你有一個(gè)電機(jī)正在運(yùn)行，突然你切斷了電源。線圈內(nèi)的能量被存儲(chǔ)在電磁場內(nèi)，但現(xiàn)在磁場開始崩潰。面對崩潰的電磁場，試圖保證電流流動(dòng)，將產(chǎn)生一個(gè)巨大的尖峰電壓。這個(gè)電壓可能高達(dá)幾百伏，即便是在低功率應(yīng)用中。因?yàn)檫@個(gè)電壓的形成于線圈兩端，并且與施加在運(yùn)行電機(jī)的電壓方向相反。（因此稱為 “反沖”電壓，如果處理不當(dāng)，感應(yīng)電壓可能會(huì)毀壞GPIO引腳電路或甚至是整個(gè)微控器。反沖電壓有時(shí)也被稱為反向電動(dòng)勢，或簡稱反向EMF。 為此，可以采用“反激”二極管，一個(gè)高速開關(guān)的保護(hù)二極管（1N4001 是一個(gè)不錯(cuò)的選擇）放置在跨越線圈的位置，與正常使用時(shí)反向偏置。然后，當(dāng)電機(jī)斷電后，反激二極管允許反沖電壓安全地將其電流通過線圈電阻，防止毀壞更敏感的電子設(shè)備。為獲取更安全的方案，可以在GPIO引腳與晶體管之間插入一個(gè)光耦芯片，以電性隔離微控器（4N35是個(gè)不錯(cuò)的選擇）。 圖3： 使用“反激”二極管來避免感性負(fù)載的反沖電壓。 為使與電機(jī)的接口處理更簡潔，也可以使用L293D H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片內(nèi)部還包含有保護(hù)二極管。請確定訂購的是L293D而不是L293，后者缺乏保護(hù)二極管。 (mbbeetchina)