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。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
2 引腳功能
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)。 ???
?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。
????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。
????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。
編輯:黃飛
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