基于HIP4081的厚膜H橋電機驅(qū)動電路設(shè)計解析

隨著電子微技術(shù)的發(fā)展，電機控制、電氣傳動形成了一門多學(xué)科交叉的“運動控制”技術(shù)。運動控制系統(tǒng)能使被控機械運動實現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機械量的綜合控制。H橋驅(qū)動電路能與主處理器、電機等構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)，可應(yīng)用于步進電機、交流電機及直流電機等的運動控制。
　　1電機運動控制及其驅(qū)動電路
　　在電機的運動控制中，最常見的是電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速，流經(jīng)電機繞組的電流大小和方向要受控。




　　圖1，圖2是由4個N溝道MOs管(M1～M4)和一個電機(M)組成的H橋。在圖1中，當(dāng)M1和M4導(dǎo)通時，電流從電源正極經(jīng)M1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)M4回到電源負(fù)極，電機沿順時針轉(zhuǎn)動。在圖2中，當(dāng)M3和M2導(dǎo)通時，電流從右至左流過電機，電機沿逆時針轉(zhuǎn)動。因此，通過調(diào)整MOS管的導(dǎo)通與截止時序可以控制電機的轉(zhuǎn)向，通過調(diào)整流經(jīng)電機電流的大小可以控制電機的轉(zhuǎn)速。
　　在此介紹一款基于HIP4081設(shè)計的厚膜H橋電機驅(qū)動電路，用于某炮瞄系統(tǒng)。電路內(nèi)部集成了CMOS控制電路和由MOS管組成的H橋，它能為負(fù)載提供5A的連續(xù)電流。該電路能在60V的供電電源范圍內(nèi)安全工作，用戶只需提供與TTL電平兼容的PWM信號就可進行4象限模式的幅值和方向同時控制，而且與數(shù)字控制器的接口非常簡單。其內(nèi)部電路可提供適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間間隔以保護H橋的4個N溝道場效應(yīng)管，效率可達97％。提供有與TTL兼容的使能管腳來關(guān)斷4個場效應(yīng)管。
　　2HIP4081內(nèi)部結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點
　　HIP4081是intersil公司推出的一款專門用于控制H橋的高頻全橋驅(qū)動芯片。采用閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，具有獨立的低端和高端輸入通道，分別獨立驅(qū)動4個N溝道MoS管；輸出峰值電流為2A；芯片內(nèi)部具有電荷泵和死區(qū)時間設(shè)置；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達95V，邏輯電源電壓范圍6～15V，工作頻率高，可達1MHz；具有能控制所有輸入的禁止端，可方便地與外接元件形成保護電路。圖3給出HIP4081的引腳排列定義，圖4顯示了1／2HIP4081(A邊)的內(nèi)部功能框圖。主要組成部分有：邏輯輸入、使能、電荷泵、電平平移及死區(qū)時間設(shè)置等。




　　3HIP4081引腳排列
　　在圖4中，Au，AHl分別是A邊的低邊輸入和高邊輸入；ALO，AHO分別是A邊的低邊輸出和高邊輸出，DIS是使能輸入；在另一半(B邊)的內(nèi)部功能圖中，BLI、BHl分別是B邊的低邊輸入和高邊輸入；BL0，BH0分別是B邊的低邊輸出和高邊輸出。他們之間的邏輯關(guān)系如表1所示。




　　3電路實現(xiàn)基本原理

電路原理框如圖5所示。




　　在圖5中，VCC為內(nèi)部邏輯電路和MOS管上臂和下臂驅(qū)動器的低壓電源；Vs為H橋供電電源，MOS管從這個電源端獲得輸出電流，該腳電壓范圍為Vcc～+80V；V01，為半橋的輸出腳1，當(dāng)PwM輸入ALI為高，BLI為低時，該腳輸出為Vs；Vo2為半橋的輸出腳2，當(dāng)PwM輸入ALI為低，BLl為高時，該腳輸出為Vs；SENSE為2個半橋下臂的共同聯(lián)接點，可連接一個到Vs地的檢測電阻以檢測電流，該腳也可以直接連到Vs的地。GND為輸入邏輯和Vcc的地；PWM輸人為用于輸入與TTL兼容的PwM信號，占空比在O％～100％之間；DIS為用于關(guān)斷4個MOS管，該腳為1時為關(guān)斷，為0時使能。
　　3．1電路工作邏輯時序及電機運動狀態(tài)分析
　　在圖5中，當(dāng)使能端D1S處于高電平“1”時，無論ALI，BLI是“1”還是“O”，ALO，BLO，AH0，BH0都為“0”，電路處于禁止?fàn)顟B(tài)，電機停轉(zhuǎn)。當(dāng)使能端DIS處于低電平“O”時，ALl和BLI可通過反相器分別同時接收PWM信號的高電平“1”和低電平“0”。當(dāng)ALl為1，BLI為0時，此時，ALO為1，AHO為0，BLO為O，BHO為1，H橋中的MOS管M1與M4導(dǎo)通，H橋處于圖1狀態(tài)，電機順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)ALI為O，BLI為1時，此時，AL0為0，AHO為1，BLO為1，BHO為O，H橋中的MOS管M3與M2導(dǎo)通，H橋處于圖2狀態(tài)，電機逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)ALI，BLI同時為O時，ALO，BLO都為O，AH0，BHO都為1，電機中沒有電流流過，處于制動狀態(tài)。當(dāng)ALI，BLI同時為1時，AL0，BLO都為1，AHO，BHO都為O，電機中也沒有電流流過，同樣處于制動狀態(tài)。其邏輯關(guān)系如表2所示。

3．2死區(qū)時間的考慮
　　在圖5中，保證H橋上2個同側(cè)的MOS管(M1和M2，M3和M4)不會同時導(dǎo)通非常重要。如果MOS管M1和M2(或M3和M4)同時導(dǎo)通，那么電流就會從電源Vs正極穿過2個MOS管直接回到負(fù)極。此時，電路中除了MOS管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達到最大值(該電流僅受電源性能限制)，甚至燒壞MOS管。基于上述原因，在實際驅(qū)動電路中要使M1與M2或M3與M4在導(dǎo)通時間上有一個延遲，也稱死區(qū)時間。
　　HIP4081留有HDEL和LDEL兩個端口(見圖4)，用戶通過外接電阻，可根據(jù)實際電路工作情況，自行定制死區(qū)時間。死區(qū)時間與HDEL／LDEL電阻的關(guān)系如圖6所示。



3．3效率的考慮
　　在圖5中，決定驅(qū)動電路效率的主要是以下3個因素：H1P4081的靜態(tài)功耗；Vcc電源的動態(tài)功耗；MOS管的I2R損耗。
　　由于HIP4081是CMOS器件，第(1)項損耗很小，可忽略不計，第(2)項損耗雖然大一些，但遠(yuǎn)小于(3)項(尤其是滿負(fù)荷輸出時)。而MOS管的I2R由其導(dǎo)通電阻決定，因此選擇合適的M0s管組成H橋電路，可以減少(3)項損耗。該電路選用N溝道HEXFETPowerMOSFETIRFPP250N，其導(dǎo)通電阻為O．075Ω，降低了導(dǎo)通損耗，提高了效率。
　　3．4產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的考慮
　　(1)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用厚膜混合集成技術(shù)設(shè)計，如圖7所示，在具有高導(dǎo)熱率的AlN陶瓷基板上通過厚膜印燒工藝制作厚膜基板，并通過基板金屬化與焊接技術(shù)，將ALN基板與金屬外殼進行焊接，大大提高了電路的導(dǎo)熱能力和功率密度。


　　

(2)在圖7中，產(chǎn)品內(nèi)部全部有源器件采用裸芯片，通過混合集成電路的二次集成工藝技術(shù)，將元器件、ALN厚膜陶瓷基板以及金屬外殼組裝在一起。形成具有全密封金屬外殼、外形尺寸為32mm×32mm×7mm的雙列直插式厚膜混合集成產(chǎn)品，大大縮小了體積，減少了產(chǎn)品內(nèi)部級連和焊點，提高了可靠性。
　　厚膜H橋電機驅(qū)動電路經(jīng)過實際應(yīng)用表明：該電路不僅安全可靠地實現(xiàn)了電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速,提高了驅(qū)動電路和系統(tǒng)的可靠性，而且產(chǎn)品體積小，導(dǎo)熱性能好，效率高，能在惡劣的使用環(huán)境下安全工作，適合軍、民兩用。