H橋電機驅動解析

一、簡介

之前介紹過H橋電機驅動電路的基本原理，但是以集成的電機驅動芯片為示例。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（否則會導致芯片嚴重發熱并燒毀）。

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

二、示例原理圖和PCB展示

此原理圖和PCB采用的是網上分享的電路設計（IR2104半橋驅動+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。

該電機驅動板有兩個H橋電路，可以同時控制雙路電機?？赏ㄟ^相應的控制信號來控制電機的轉速和正反轉。

1.原理圖

2.PCB 3D圖

三、輔助電路部分講解

本驅動模塊默認采用7.4V的鋰電池組接入右側的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半橋驅動芯片供電（需要12V的原因將在下面介紹）。此芯片的工作原理在此不多做介紹，可自行下載數據手冊進行學習。

注意事項：

(1).此BOOST電路模塊是此驅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試，確認沒有問題后再進行后續的焊接。

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

2、降壓穩壓電路

★降壓穩壓電路采用的是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。

3、隔離電路部分

在設計電機驅動板時，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橋驅動電路隔離開，防止損壞控制器。

此電機驅動板采用了74lvc245這款三態輸出的收發器芯片作為隔離芯片。也可以使用74HC125（三態四線非反相緩沖器）或74HC244（三態八線非反相緩沖器）。具體使用說明可參考相應的數據手冊。

四、搭建的H橋驅動電路詳解

1、簡介

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

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

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：

★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時的電流，否則可能在電機堵轉時燒毀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，也將決定后續半橋驅動芯片的選擇和設計（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.漏源導通電阻（Rds）：該電阻是MOS管導通時，漏極和源極之間的損耗內阻，將會決定電機轉動時，MOS管上的發熱量，因此一般越小越好。LR7843的漏源導通電阻為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橋上的電機驅動電壓。LR7843的最大漏源電壓為30V。滿足7.4V的設計需要。

3、半橋驅動芯片IR2104S

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

★所謂半橋驅動芯片，便是一塊驅動芯片只能用于控制H橋一側的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）。因此采用半橋驅動芯片時，需要兩塊該芯片才能控制一個完整的H橋。

★相應的，全橋驅動芯片便是可以直接控制4個MOS管的導通與截止，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、典型電路設計（來源于數據手冊）

2、引腳功能（來源于數據手冊）

★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動狀態（轉向、轉速和是否轉動）。

★VB和VS主要用于形成自舉電路。（后續將詳細講解）

★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計原理圖中均可發現：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，這便會導致想要高端MOS導通，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源極接到負載，如果高端MOS導通，那么其源極電壓將上升到H橋驅動電壓，此時如果柵極對地電壓不變，那么Vgs可能小于Vth，又關斷。因此想要使高端MOS導通，必須想辦法使其Vgs始終大于或一段時間內大于Vth（即柵極電壓保持大于電源電壓+Vth）。

首先看下IR2104S的內部原理框圖（來源于數據手冊）。此類芯片的內部原理基本類似，右側兩個柵極控制腳（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，原因后續說明）。

（1）.第一階段：首先給IN和SD對應的控制信號，使HO和LO通過左側的內部控制電路（使上下兩對互補的PMOS和NMOS對應導通），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：此階段由芯片內部自動產生，即死區控制階段（在H橋中介紹過，不能使上下兩個MOS同時導通，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使左側的內部MOS管如圖所示導通。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保持導通。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仍然會關斷。

補充總結：

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

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

那么在上述驅動板中，自舉電路就沒有作用了嗎?當然不是，由于MOS管的特性，自舉電路在增加柵源電壓的同時，還可令MOS管的導通電阻減小，從而減少發熱損耗，因此仍然建議采用輪流導通的方式，用自舉電容產生的大壓差使MOS管導通工作。

4.控制邏輯

時序控制圖：

簡單看來，就是SD控制輸出的開關（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）。

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

上面為半橋的驅動方式，驅動一個H橋要同時對兩個IR2104進行控制。

以上面設計的電機驅動板為例，驅動真值表：

改變PWM的占空比，即可改變電機的轉速。

五、相關補充

★1.自舉二極管一般選用肖特基二極管（比如上述驅動板中的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。此驅動板中選用1uF的鉭電容，經測試運行穩定。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管柵極串聯的電阻主要用于限流和抑制振蕩。為了加快MOS管的關斷還可以在柵源之間并聯一個10K電阻或在柵極串聯電阻上反向并聯一個二極管。這部分內容網上可找到較多介紹。