探索MOS管H橋電路與電機專用驅動方案

工程師，在設計電路項目時，第一要務，也是最終要務，是根據設計要求完成項目功能的開發；這些電路項目的功能雖因人而異，各不相同，但有一個似乎卻是相同的，那就是項目的執行機構會涉及到電機。

空氣凈化器項目，它需要實現的功能是去除PM2.5顆粒，凈化室內的空氣。實現凈化室內的空氣功能，工程師依靠的是電機驅動的小風扇，使空氣能夠自由流動地循環；

碎紙機項目，它需要實現的功能是撕碎辦公室棄用的紙張，以防公司機密外泄。實現撕碎棄用的紙張功能，工程師依靠的是電機驅動的旋轉刀片，使進入碎紙機的紙張被撕碎；

智能電動玩具車，它需要實現的功能是通過控制遙控，輕易地可以操作玩具車的倒車、前進、轉彎、剎車。實現玩具車的倒車、前進、轉彎與剎車功能，工程師依靠的是電機驅動的車輪，使智能電動玩具車能聽從遙控器的指揮；

電路項目 這些電路項目的功能盡管千差萬別，但有一個共同點，都包含電機的驅動。這是為什么呢？ 電機，作為可以將電能轉換成機械能的動力裝置，它是一種媒介，是一種橋梁；猶如相親認識的兩個戀人一樣，媒婆就是他們的月老，就是他們的丘比特； 工程師在研發設計電路，本質上是借助基礎的電子元器件與芯片，運用基爾霍夫電路定律，控制與分配電路中電壓和電流的走向。

然而這僅僅是電路的設計，也僅僅是項目設計的一部分，并不能代表項目的全部。 完整的項目，既包含電子電路部分，也同時包含機械結構部分。這就是存在電子工程師與結構工程師的原因，二者互輔互成，缺一不可。 工程師現在是不是知道了原因，為什么電路項目的功能盡管千差萬別，但都會有一個共同的執行機構---電機。因為電機是可以將電能轉換成機械能的動力裝置，是項目電路部分與機械部分之間聯系的紐帶，電路就是通過電機去實現控制機械。 同樣，機械也可以通過電機去實現控制電路，比如發電機。 之所以講述這些內容，是想帶領工程師從項目的研發本質上去重新認識電機的重要性。 電機在項目研發中如此重要，那在電路的設計上如何有效地控制電機就變得舉足輕重，自然呈現不言而喻。工程師在具體的電路方案開發過程中，該怎么去做呢？該怎么去執行呢？

芯片哥一向喜歡從問題的本質出發，去分析解決，找到原因，摸索出答案。在回答“如何在電路方案中控制電機”的問題之前，工程師需要對電機做個清楚的認識與了解。

電機，按照電流的屬性，可分為交流電機與直流電機兩大類。以直流電機為例，闡述說明如何在電路方案中控制電機。 直流有刷電機、直流無刷電機與步進電機等這些都屬于直流電機范疇 直流電機，包含兩個電源接線端子，稱之為電機的正極與負極。在電機的兩個接線端子處，分別接通電源的正極與負極，電機則因為形成電流回路而開始工作轉動。電機的轉速n =(U - Ia*Ra)/Ceφ，通過改變電壓U的幅值，實現調速的目的，這就是直流電機簡要的電路工作原理，言簡意賅。直流電機 了解完直流電機的電路工作原理后，工程師在項目方案設計中經常會選用，4個MOS管構建的H橋電路和專用的電機驅動芯片這兩種方案。

方案一：MOS管H橋電路方案

MOS管H橋電路圖 所謂MOS管H橋電路，是指使用4個N型MOS管（也可以使用2個N型MOS管與2個P型MOS管），設計一個字母H形狀的電路，4個MOS管的中間連接電機； 4個MOS管中，Q1與Q2兩個MOS管的漏極連接電源的VCC，Q3與Q4兩個MOS管的源極連接電源的GND，Q1、Q2和Q3、Q4這四個MOS管的柵極連接外部的PWM1信號、PWM2信號和PWM3信號、PWM4信號； PWM1控制Q1 MOS管導通和PWM4控制Q4 MOS管導通，與此同時PWM2控制Q2 MOS管關閉和PWM3控制Q3 MOS管關閉，電機的兩個接線端子電源極性為左正右負，電機正轉； PWM2控制Q2 MOS管接通和PWM3控制Q3 MOS管接通，與此同時PWM1控制Q1 MOS管關閉和PWM4控制Q4 MOS管關閉，電機的兩個接線端子電源極性為右正左負，電機反轉； 需要說明的是，MOS管的柵極控制信號PWM可能并不是直接來自單片機的輸出，有可能是來自外圍的Gate Driver柵極驅動芯片。 ?

方案2：專用電機驅動芯片方案 芯片按照功能一般可以細分為專用集成芯片與通用集成芯片。 專用集成芯片，是指具有某一特定專用功能的芯片，如74系列邏輯芯片，只能專用于處理信號的邏輯運算； 通用集成芯片，是指芯片的功能不單一，沒有被固定，具有多樣化，最典型的案例如單片機，工程師可以利用單片機開發出千奇百怪的各種功能； 電機驅動芯片，就屬于專用集成芯片。芯片與半導體設計公司依據工程師用戶的設計需求反饋，專門針對電機驅動的電路應用領域而開發設計的芯片，功能具有專一性，只面向電機驅動的方案設計。以L9110S電機驅動芯片為例說明 L9110S電機驅動芯片引腳定義

Pin 1引腳OA：電機驅動輸出功能引腳A；

Pin 2 & Pin 3引腳VCC：芯片的工作電源功能引腳；

Pin 4引腳OB：電機驅動輸出功能引腳B；

Pin 5 & Pin 8引腳GND：芯片的參考地線功能引腳；

Pin 6引腳IA：電機控制信號輸入功能引腳A；

Pin 7引腳IB：電機控制信號輸入功能引腳B；

具體的應用電路圖

專用電機驅動芯片電路圖 L9110S電機驅動芯片的應用電路圖，較為簡潔；芯片的Pin 1引腳OA與Pin 4引腳OB直接連接電機的兩個接線端子，芯片的Pin 6引腳IA與Pin 7引腳IB直接連接到外部輸入的PWM波信號，芯片的VCC與GND只需要連接到電源即可（濾波電容省略了）。 輸入電機驅動芯片的PWM信號是直接來自于單片機，無需其他功能芯片； 至此，工程師可能會追問，同樣為電機驅動的電路設計方案，MOS管的H橋電路方案與專用電機驅動芯片的方案，兩者都能實現電機驅動的功能，那它們的區別在哪呢？在實際項目開發中它們的差異性在哪呢？它們的不同點是什么呢？ 它們的區別在于三點

電路功率

設計難度

穩定可靠 ?

01區別：電路功率

電路功率是等于電壓乘以電流，即P = U * I。 MOS管的H橋電路方案，電機驅動的最大工作電壓與最大工作電流取決于工程師采用MOS管的最大工作電壓值與最大工作電流值. MOS管的工作電壓范圍覆蓋面廣，可以從低至20~30V，中至80~120V，一直高至1000V等等；同樣地，MOS管的工作電流范圍也覆蓋面廣，可以從最小的1A一直到200A等等； 專用電機驅動芯片方案，電機驅動的最大工作電壓取決于芯片的供電電源。芯片的工作電源，工程師都很清楚，常用的電源電壓等級包含3.3V、5.0V、12V、24V與36V；芯片的工作電流同樣也較小，如0.6A、1A、2A與5A； 為什么MOS管的H橋電路方案承受的電路功率，要明顯大于專用電機驅動芯片的方案呢？主要是因為專用電機驅動芯片屬于集成式的半導體器件，散熱能力較弱，驅動大電壓大電流容易產生高溫高熱，造成芯片損壞。 顯然，MOS管H橋電路方案的工作功率要優于專用電機驅動芯片方案，適用的項目類型更多更全。 ?

02區別：設計難度

設計難度，是指工程師完成電機驅動電路方案設計的難易度，存在電路研發難度和電路調試難度。 從MOS管H橋電路圖和專用電機驅動電路圖對比中發現： 專用電機驅動電路圖相比較MOS管H橋電路圖要簡潔簡單，表現在研發4個PWM信號的控制與處理要難于2個PWM信號的控制與處理；并且在電路調試方面，4個MOS管的參數選型測試要復雜于1個專用電機驅動芯片的參數測試。 顯然，專用電機驅動芯片的電路設計難度要優于MOS管H橋電路方案，對工程師的研發能力水平要求相對較低。

03區別：穩定可靠

穩定可靠，是指電路的方案抗外界的干擾能力，抗干擾能力越強，電路的方案穩定可靠性就越好。 于工程師而言，作為常識，電路方案使用的電子元器件與芯片數量越少，集成度越高，方案出現的故障問題就會越少，穩定可靠性就會越高；反之，電路方案使用的電子元器件與芯片數量越多，種類越繁瑣，方案出現的故障問題就會越多，穩定可靠性就會越低。 MOS管H橋電路方案使用了至少4個電子元器件，專用電機驅動芯片方案只使用了1個芯片。 顯然，專用電機驅動方案穩定可靠性要高于MOS管H橋電路方案，更適合惡劣的項目環境。 ?

文末總結

對于MOS管H橋電路方案與專用電機驅動芯片方案，它們的區別不僅包含電路功率、設計難度與可靠穩定這三點，還包含BOM元器件費用。由于每個項目的電路要求參差不齊，使用的具體MOS管型號或者專用電機驅動芯片型號均不確定，尤其是外圍電路的元器件不能確定，故而沒有加入BOM元器件費用這個因素的討論。 ? 電機驅動的外圍電路 最后綜合電路功率、設計難度與穩定可靠三個因素比較，在大功率的電機驅動項目，工程師優先考慮采用MOS管H橋電路方案；在工程師電路研發設計能力與電路調試經驗不足時，優先考慮采用設計難度較低的專用電機驅動芯片方案；在惡劣的使用環境中的電機驅動項目，工程師優先考慮采用穩定可靠性更高的專用電機驅動芯片方案。

審核編輯：黃飛

?