一.简介
二.示例原理图和PCB展示
此原理图和PCB采用的是网上分享的电路设计(IR2104半桥驱动+LR7843MOS管),为了便于焊接,对其中的一些封装进行了修改,并重新布线。
1.原理图
2.PCB 3D图
三.辅助电路部分讲解
本驱动模块默认采用7.4V的锂电池组接入右侧的P1端子进行供电。
1.BOOST升压电路
(1).此BOOST电路模块是此驱动板中较为容易出问题的部分,因此焊接时需要先对其进行焊接调试,确认没有问题后再进行后续的焊接。
(2).此电路需要尤其注意0.22Ω的精密电流检测电阻,如果电阻质量不合格很容易出现问题,导致电路不能正常工作。
2.降压稳压电路
3.隔离电路部分
此电机驱动板采用了74lvc245这款三态输出的收发器芯片作为隔离芯片。也可以使用74HC125(三态四线非反相缓冲器)或74HC244(三态八线非反相缓冲器)。具体使用说明可参考相应的数据手册。
四.搭建的H桥驱动电路详解
1.简介
2.NMOS管IRLR7843
★1.漏极电流(Id):该电流即限制了所能接入电机的最大电流(一般要选择大于电机堵转时的电流,否则可能在电机堵转时烧毁MOS管),LR7843的最大漏极电流为160A左右,完全可以满足绝大部分电机的需要。
3.半桥驱动芯片IR2104S
在H桥驱动电路中,一共需要4个MOS管。而这四个MOS管的导通与截止则需要专门的芯片来进行控制,即要介绍的半桥/全桥驱动芯片。
★相应的,全桥驱动芯片便是可以直接控制4个MOS管的导通与截止,一块该芯片便能完成一个完整H桥的控制。
1.典型电路设计(来源于数据手册)
2.引脚功能(来源于数据手册)
★VCC为芯片的电源输入,手册中给出的工作电压为10~20V。(这便是需要boost升压到12V的原因)
★IN和SD作为输入控制,可共同控制电机的转动状态(转向、转速和是否转动)。
★VB和VS主要用于形成自举电路。(后续将详细讲解)
★HO和LO接到MOS管栅极,分别用于控制高端和低端MOS的导通与截止。
★COM脚直接接地即可。
3.自举电路
此部分是理解该芯片的难点,需要进行重点讲解。从上面的典型电路图和最初的设计原理图中均可发现:该芯片在Vcc和VB脚之间接了一个二极管,在VB和VS之间接了一个电容。这便构成了一个自举电路。
补充说明:因为低端MOS源极接地,想要导通只需要令其栅极电压大于开启电压Vth。而高端MOS源极接到负载,如果高端MOS导通,那么其源极电压将上升到H桥驱动电压,此时如果栅极对地电压不变,那么Vgs可能小于Vth,又关断。因此想要使高端MOS导通,必须想办法使其Vgs始终大于或一段时间内大于Vth(即栅极电压保持大于电源电压+Vth)。
自举电路工作流程图:
以下电路图均只画出半桥,另外一半工作原理相同因此省略。
假定Vcc=12V,VM=7.4V,MOS管的开启电压Vth=6V(不用LR7843的2.3V,原因后续说明)。
(3).第三阶段:通过IN和SD使左侧的内部MOS管如图所示导通。由于电容上的电压不能突变,此时自举电容上的电压(12V)便可以加到高端MOS的栅极和源极上,使得高端MOS也可以在一定时间内保持导通。此时高端MOS的源极对地电压≈VM=7.4V,栅极对地电压≈VM+Vcc=19.4V,电容两端电压=12V,因此高端MOS可以正常导通。
(此时,自举二极管两端的压差=VM,因此在选择二极管时,需要保证二极管的反向耐压值大于VM。)
注意:因为此时电容在持续放电,压差会逐渐减小。最后,电容正极对地电压(即高端MOS栅极对地电压)会降到Vcc,那么高端MOS的栅源电压便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V < Vth=6V,高端MOS仍然会关断。
补充总结:
★因此想要使高端MOS连续导通,必须令自举电容不断充放电,即循环工作在上述的三个阶段(高低端MOS处于轮流导通的状态,控制信号输入PWM即可),才能保证高端MOS导通。自举二极管主要是用来当电容放电时,防止回流到VCC,损坏电路。
★但是,在对上面的驱动板进行实际测试时会发现,不需要令其高低端MOS轮流导通也可以正常工作,这是因为即使自举电容放电结束,即高端MOS的栅源电压下降到4.4V仍然大于LR7843的Vth=2.3V。
那么在上述驱动板中,自举电路就没有作用了吗?当然不是,由于MOS管的特性,自举电路在增加栅源电压的同时,还可令MOS管的导通电阻减小,从而减少发热损耗,因此仍然建议采用轮流导通的方式,用自举电容产生的大压差使MOS管导通工作。
4.控制逻辑
在最上面的驱动板中,SD接到VCC,即处于输出常开状态。只需要对IN脚输入对应控制信号即可进行电机的驱动。
以上面设计的电机驱动板为例,驱动真值表:
五.相关补充
在自举电容选择时,其耐压值需大于Vcc并留有一定余量(如上述驱动板中为16V的钽电容)。而自举电容的容值选择需要一定的计算。具体可自行查找《自举电容的选择》。此驱动板中选用1uF的钽电容,经测试运行稳定。一般来说,PWM的输入频率越大(即电容充放电频率),电容所需容值越小。
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