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2021.02.03 电机

H桥电路的有刷直流电机驱动:输出状态的切换

有刷直流电机

上一篇文章中介绍了有刷直流电机驱动的H桥电路的原理。本文将介绍有刷直流电机驱动的H桥的实际控制(切换)。

H桥电路:输出状态的切换

在上一篇文章中我提到过在向电机的两个端子施加电压时有四种连接方式:

 ①两个端子都不与任何地方连接。
 ②将直流电源的(+)连接至一个端子,(-)连接至另一端子。
 ③将直流电源按照与②相反的极性连接至电机。
 ④两个端子之间相连接。

如果可以输入2位二进制值,则可以通过它们的组合来创建这四种状态。举一个简单的例子,如果有2个逻辑输入端子,则可以获得2*2=4种组合。下面是内置H桥电路的有刷直流电机驱动器的示例,这里给出了大致的内部功能框图。

用于切换H桥状态的逻辑电路是以IN1和IN2作为输入、由虚线围起来的部分。该逻辑电路的真值表如下:

可以看出相对于IN输入逻辑的VG状态。VG是Q1~Q4的各MOSFET的栅极电压状态。例如,Q1的VG为H,这表示施加了H电平的电压,而不是直接表示Q1的ON/OFF。

该H桥是Pch MOSFET(Q1,Q3)和Nch MOSFET的组合。高边侧是Pch,低边侧是Nch对(Q1和Q2,Q3和Q4),各漏极和源极都已连接并成为OUT1(Q1和Q2对)和OUT2(Q3和Q4对)的输出。

从框图中可以看出,Pch的Q1和Q3在栅极上带有活动状态的L符号,因此VG为L,处于导通(ON)状态。Q2和Q4为活动状态的H,因此Q2和Q4为H,并处于导通(ON)状态。仅从这点看,它与CMOS逆变器逻辑电路相同,但是栅极由IN1和IN2分别控制。

OUT对应创建四种所需状态。OPEN表示所有MOSFET均关断且处于高阻抗状态。L表示通过MOSFET连接到GND,H表示连接到电机电源VM。

尽管与H桥的控制逻辑没有直接关系,但功能模块中显示的电平转换(Level Shift)和同时导通防止功能是硬件控制所需功能的示例。

电平转换是一种可转换低电压逻辑电路的输出电压以适应高电压MOSFET驱动的电路。逻辑电路部分设计为在3.3V或2.5V的常规逻辑电平下运行,但H桥部分则在5V、12V、24V等高电压(电机的驱动电压)下运行。因此,由于不能直接用低电压逻辑输出电平来驱动而需要电平转换电路。

同时导通防止功能是用来防止在高边晶体管和低边晶体管ON/OFF切换时可能会发生的两边晶体管同时导通的功能。这是由逻辑切换时的微妙时间点引起的现象。经常被提到的是在同步整流开关电源案例中,在交叠(Overlap)导通的瞬间,会有被称为“直通(Shoot-through)电流”的电流从电源流向GND,存在损坏开关晶体管或IC的风险。

虽然谈了一点看似关系不大的内容,不过请抓住本文的重点:可以利用2位逻辑输入来通过H桥获得四种状态。

关键要点:

・可以通过2位逻辑来实现H桥四种连接状态的切换。

・除有刷直流电机的H桥和有刷直流电机的控制逻辑电路外,许多实际的有刷直流电机驱动IC还具有电平转换和同时导通防止功能。

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