H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)解析

一、簡(jiǎn)介

之前介紹過(guò)H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的基本原理，但是以集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為示例。這些集成的芯片使用起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是只能適用于一些小電流電機(jī)，對(duì)于大電流的電機(jī)(比如：RS380和RS540電機(jī)），則不能使用這些集成的芯片（否則會(huì)導(dǎo)致芯片嚴(yán)重發(fā)熱并燒毀）。

此時(shí)便需要自行用半橋/全橋驅(qū)動(dòng)芯片和MOS管搭建合適的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)大電流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(jì)（IR2104半橋驅(qū)動(dòng)+LR7843MOS管），為了便于焊接，對(duì)其中的一些封裝進(jìn)行了修改，并重新布線。

該電機(jī)驅(qū)動(dòng)板有兩個(gè)H橋電路，可以同時(shí)控制雙路電機(jī)?？赏ㄟ^(guò)相應(yīng)的控制信號(hào)來(lái)控制電機(jī)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(dòng)模塊默認(rèn)采用7.4V的鋰電池組接入右側(cè)的P1端子進(jìn)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(dòng)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(cè)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

注意事項(xiàng)：

(1).此BOOST電路模塊是此驅(qū)動(dòng)板中較為容易出問(wèn)題的部分，因此焊接時(shí)需要先對(duì)其進(jìn)行焊接調(diào)試，確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題后再進(jìn)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(cè)電阻，如果電阻質(zhì)量不合格很容易出現(xiàn)問(wèn)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(jiǎn)單。

3、隔離電路部分

在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板時(shí)，很多都會(huì)有一個(gè)用于隔離的電路模塊。主要用于將控制器與H橋驅(qū)動(dòng)電路隔離開(kāi)，防止損壞控制器。

此電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shuō)明可參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

四、搭建的H橋驅(qū)動(dòng)電路詳解

1、簡(jiǎn)介

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

自行搭建的H橋驅(qū)動(dòng)電路一般都包括兩個(gè)部分：半橋/全橋驅(qū)動(dòng)芯片和MOS管。自行搭建的H橋驅(qū)動(dòng)所能通過(guò)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(jì)出驅(qū)動(dòng)大電流電機(jī)的H橋驅(qū)動(dòng)電路。

2、NMOS管IRLR7843

在選擇MOS管搭建H橋時(shí)，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(jī)的最大電流（一般要選擇大于電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的電流，否則可能在電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)的需要。

★2.柵源閾值電壓/開(kāi)啟電壓（Vth）：該電壓即MOS管打開(kāi)所需的最小電壓，也將決定后續(xù)半橋驅(qū)動(dòng)芯片的選擇和設(shè)計(jì)（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(shí)，漏極和源極之間的損耗內(nèi)阻，將會(huì)決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(jī)驅(qū)動(dòng)電壓。LR7843的最大漏源電壓為30V。滿足7.4V的設(shè)計(jì)需要。

3、半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2104S

在H橋驅(qū)動(dòng)電路中，一共需要4個(gè)MOS管。而這四個(gè)MOS管的導(dǎo)通與截止則需要專門(mén)的芯片來(lái)進(jìn)行控制，即要介紹的半橋/全橋驅(qū)動(dòng)芯片。

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

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

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

1、典型電路設(shè)計(jì)（來(lái)源于數(shù)據(jù)手冊(cè)）

2、引腳功能（來(lái)源于數(shù)據(jù)手冊(cè)）

★VCC為芯片的電源輸入，手冊(cè)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和是否轉(zhuǎn)動(dòng)）。

★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(diǎn)，需要進(jìn)行重點(diǎn)講解。從上面的典型電路圖和最初的設(shè)計(jì)原理圖中均可發(fā)現(xiàn)：該芯片在Vcc和VB腳之間接了一個(gè)二極管，在VB和VS之間接了一個(gè)電容。這便構(gòu)成了一個(gè)自舉電路。

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

補(bǔ)充說(shuō)明：因?yàn)榈投薓OS源極接地，想要導(dǎo)通只需要令其柵極電壓大于開(kāi)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(dòng)電壓，此時(shí)如果柵極對(duì)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(shí)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(lái)源于數(shù)據(jù)手冊(cè)）。此類芯片的內(nèi)部原理基本類似，右側(cè)兩個(gè)柵極控制腳（HO和LO）均是通過(guò)一對(duì)PMOS和NMOS進(jìn)行互補(bǔ)控制。

自舉電路工作流程圖：

以下電路圖均只畫(huà)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(kāi)啟電壓Vth=6V（不用LR7843的2.3V，原因后續(xù)說(shuō)明）。

（1）.第一階段：首先給IN和SD對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，使HO和LO通過(guò)左側(cè)的內(nèi)部控制電路（使上下兩對(duì)互補(bǔ)的PMOS和NMOS對(duì)應(yīng)導(dǎo)通），分別輸出低電平和高電平。此時(shí)，外部H橋的高端MOS截止，低端MOS導(dǎo)通，電機(jī)電流順著②線流通。同時(shí)VCC通過(guò)自舉二極管（①線）對(duì)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(dòng)產(chǎn)生，即死區(qū)控制階段（在H橋中介紹過(guò)，不能使上下兩個(gè)MOS同時(shí)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(guò)①線放電。

（3）.第三階段：通過(guò)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(shí)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(shí)間內(nèi)保持導(dǎo)通。此時(shí)高端MOS的源極對(duì)地電壓≈VM=7.4V，柵極對(duì)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(shí)，自舉二極管兩端的壓差=VM，因此在選擇二極管時(shí)，需要保證二極管的反向耐壓值大于VM。）

注意：因?yàn)榇藭r(shí)電容在持續(xù)放電，壓差會(huì)逐漸減小。最后，電容正極對(duì)地電壓（即高端MOS柵極對(duì)地電壓）會(huì)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(huì)關(guān)斷。

補(bǔ)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(gè)階段（高低端MOS處于輪流導(dǎo)通的狀態(tài)，控制信號(hào)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(lái)當(dāng)電容放電時(shí)，防止回流到VCC，損壞電路。

★但是，在對(duì)上面的驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)會(huì)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?yàn)榧词棺耘e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(dòng)板中，自舉電路就沒(méi)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(shí)，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(shí)序控制圖：

簡(jiǎn)單看來(lái)，就是SD控制輸出的開(kāi)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(kāi)關(guān)）。

在最上面的驅(qū)動(dòng)板中，SD接到VCC，即處于輸出常開(kāi)狀態(tài)。只需要對(duì)IN腳輸入對(duì)應(yīng)控制信號(hào)即可進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

上面為半橋的驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)一個(gè)H橋要同時(shí)對(duì)兩個(gè)IR2104進(jìn)行控制。

以上面設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為例，驅(qū)動(dòng)真值表：

改變PWM的占空比，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

五、相關(guān)補(bǔ)充

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

在自舉電容選擇時(shí)，其耐壓值需大于Vcc并留有一定余量（如上述驅(qū)動(dòng)板中為16V的鉭電容）。而自舉電容的容值選擇需要一定的計(jì)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(dòng)板中選用1uF的鉭電容，經(jīng)測(cè)試運(yùn)行穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō)，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(gè)10K電阻或在柵極串聯(lián)電阻上反向并聯(lián)一個(gè)二極管。這部分內(nèi)容網(wǎng)上可找到較多介紹。