基于功率MOSFET的H橋PWM DC電機驅動器

H橋（全橋）驅動器在驅動有刷直流電機等負載方面非常流行，并且已廣泛用于機器人技術和工業中。使用H橋驅動器的主要優點是效率高，旋轉方向變化和制動電動機。我介紹了使用四個IR3205功率MOSFET和兩個IR2104 MOSFET驅動器的完整H橋直流電動機驅動器。從理論上講，上述MOSFET可以處理高達80 A的電流；但是，實際上，如果使用大型散熱片甚至風扇將MOSFET的溫度保持在盡可能低的水平，我們可以期望獲得高達40 A的電流。

電路分析

圖1顯示了H橋直流電動機驅動器的示意圖。顯而易見，電路的核心是兩個IR2104 MOSFET驅動器芯片。

圖1：H橋直流電動機驅動器的示意圖

我選擇了4 IR32051進行切換。該MOSFET具有出色的特性，這對于該應用至關重要，RDS（on）非常低電阻和高電流處理能力。根據IRF3205數據表：“ International Rectifier的高級HEXFET功率MOSFET利用先進的處理技術來實現極低的每硅面積導通電阻。這項優勢與HEXFET功率MOSFET眾所周知的快速開關速度和堅固耐用的器件設計相結合，為設計人員提供了一種極其有效和可靠的器件，可廣泛用于各種應用中。TO-220封裝是所有商業工業應用的通用首選，其功耗水平約為50W。TO-220的低熱阻和低封裝成本使其在整個行業中得到廣泛認可?！?/p>

我選擇了兩個IR21042來驅動MOSFET。根據IR2104數據表：“ IR2104（S）是高壓，高速功率MOSFET和IGBT驅動器，具有相關的高端和低端參考輸出通道。專有的HVIC和抗閂鎖CMOS技術可實現堅固的單片結構。邏輯輸入與標準CMOS或LSTTL輸出兼容，低至3.3V邏輯。輸出驅動器具有高脈沖電流緩沖級，旨在最大程度地減少驅動器交叉導通。浮動通道可用于驅動高端配置中的N通道功率MOSFET或IGBT，其工作電壓為10至600V?！?/p>

關于IR2104的好消息是該芯片與3.3V和5V邏輯電平兼容。圖2顯示了該芯片的基本接線圖。顯然，芯片和負載（電機）的供應不需要相同；但是，兩種電源具有相同的基礎。

圖2：IR2104 MOSFET驅動器芯片的接線圖

C1，C3，C4，C5，C6，C7和C9已用于降低噪聲。R1和D2，R2和D3，R3和D8，R4和D9已被用來抑制在MOSFET導通/關斷時電感器和電容器可能引入的振鈴和寄生效應。別忘了MOSFET在其柵極引腳上引入了電容。1N4148二極管使柵極電容器放電。

D4，D5，D6和D73用于抑制直流電動機的反向電流尖峰。內部反向肖特基二極管已嵌入MOSFET中。但是，使用這些外部肖特基二極管還可以減少內部二極管上的應力。根據數據表和應用要求選擇C2，C8，D1和D10。

P1是五針XH連接器，用于將芯片的電源和控制信號施加到板上。K1是KF45電源連接器，用于將電動機和電動機的電源線連接到板上。

PCB布局

圖3顯示了H橋DC電機驅動器的PCB布局。它是兩層PCB板，所有組件封裝均為通孔。

圖3：H橋直流電機驅動器的PCB布局

圖4從頂部和底部顯示了PCB板的3D視圖。

圖4：板頂部和底部的3D視圖

我沒有IR21044和IRF32055（組件庫）的原理圖符號和PCB占用空間，因此我使用了SamacSys組件庫，并使用SamacSys Altium Designer插件安裝了缺少的庫（圖5）。SamacSys已為幾乎所有著名的電子設計軟件提供了插件（圖6）。有趣的是，所有服務都是免費的，圖書館遵循IPC標準。您只需要下載并使用自己喜歡的CAD插件即可。6另一個選擇是從ComponentSearchEngine.com下載庫并導入它們。

圖5：SamacSys Altium插件中的選定組件

圖6：SamacSys插件支持的電子設計CAD軟件

載流板沒有完全被阻焊劑覆蓋。這使您可以通過焊接或使用一些粗銅線來加強軌道。圖7顯示了這些部分暴露的軌道。

圖7：部分暴露的高電流載PCB走線

組裝和測試

圖8顯示了組裝好的單元，圖9顯示了測試環境。我已將Arduino Uno編程為控制電機驅動器板。我還在原型板上構建了一個簡單的鍵盤，以便能夠更改速度（使用PWM）和電動機的旋轉方向。

圖8：組裝好的H橋直流電動機驅動器

圖9：直流電動機驅動器板，Arduino Uno和測試臺

所有按鈕均為低電平有效，并使用Arduino的內部上拉電阻。您可以考慮以下Arduino代碼：

#include

int PWM_Value;

字節Enable_Pin = 13;

字節PWM1_Pin = 11;

字節PWM2_Pin = 10;

字節PWM_Pin = 11;

向上按鈕（9，25，true，true）;

按下按鈕（8，25，true，true）;

向左按鈕（7，25，true，true）;

向右按鈕（6，25，true，true）;

void setup（）{

pinMode（Enable_Pin，OUTPUT）;

pinMode（PWM1_Pin，輸出）;

pinMode（PWM2_Pin，輸出）;

UP.begin（）;

Down.begin（）;

Left.begin（）;

Right.begin（）;

digitalWrite（Enable_Pin，LOW）;

PWM_Value = 0;

AnalogWrite（PWM1_Pin，PWM_Value）;

AnalogWrite（PWM2_Pin，PWM_Value）;

}

無效循環（）

{

digitalWrite（Enable_Pin，HIGH）;

UP.read（）;

Down.read（）;

Left.read（）;

Right.read（）;

如果（UP.wasReleased（）&& PWM_Value <250）

{

PWM_Value + = 5;

}

如果（Down.wasReleased（）&& PWM_Value> 5）

{

PWM_Value-= 5;

}

如果（Left.wasReleased（））

{

PWM_Pin = PWM1_Pin;

AnalogWrite（PWM2_Pin，0）;

}

如果（Right.wasReleased（））

{

PWM_Pin = PWM2_Pin;

AnalogWrite（PWM1_Pin，0）;

}

AnalogWrite（PWM_Pin，PWM_Value）;

}

物料清單

圖10顯示了物料清單。

圖10：H橋直流電動機驅動器的物料清單

編輯：hfy