2、前級PWM信號和方向控制信號邏輯處理電路設(shè)計(jì)分析

　　由于H橋控制MOS管的開關(guān)需要4路控制信號，對于由NMOS管組成H橋的一側(cè)而言，一般情況下，上下兩管共用一個控制信號，并且其中一只NMOS管的控制信號是將共用的控制信號反向得到的，如圖3-7所示，74HC14的作用是將輸入的控制信號反向作為下管的控制信號，從而保證上下兩個MOS管不會同時(shí)導(dǎo)通，那么對于一個完整的H橋就要2路PWM信號來控制電機(jī)的速度和正反轉(zhuǎn)，而且兩路PWM信號還必須保證同步且極性相反，對于低端單片機(jī)而言這一點(diǎn)不是很容易做到。

　　本設(shè)計(jì)在上面所述的思想上做了改進(jìn)和延伸，通過一路PWM信號、一路DIR方向控制信號、74HC00、74HC08數(shù)字芯片，實(shí)現(xiàn)四路控制信號的輸出，上下兩管的邏輯控制信號具有有互鎖保護(hù)功能，從而保證同側(cè)橋臂的上下NMOS管不會同時(shí)導(dǎo)通造成能量浪費(fèi)甚至燒毀MOS管和電源。如圖3-8所示，HIN1、LIN1、HIN2、LIN2分別為兩側(cè)上下管的控制信號，HIN1、LIN1不能同時(shí)為1，HIN2、LIN2不能同時(shí)為1。DIR=1時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，DIR=0時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)DIR=1正轉(zhuǎn)時(shí)，LIN2恒為1，圖3-9中Q3始終導(dǎo)通，HIN1、LIN1通過PWM控制導(dǎo)通時(shí)間調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，當(dāng)DIR=0反轉(zhuǎn)時(shí)，LIN1恒為1，圖3-9中Q4始終導(dǎo)通，HIN2、LIN2通過PWM控制導(dǎo)通時(shí)間調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。DIR=0或1，兩橋臂下管始終導(dǎo)通，這也為自舉電容的快速充電提增加了一條回路，也就是說不管是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，當(dāng)上管關(guān)閉時(shí)兩側(cè)下管可同時(shí)提供充電回路，而不是單側(cè)的下管，因?yàn)殡姍C(jī)阻抗的存在，起主要充電作用的還是單側(cè)的下管。當(dāng)PWMZ占空比為0時(shí)，LIN1、LIN2都為1時(shí)，兩側(cè)下管同時(shí)導(dǎo)通將電機(jī)兩端接地，這樣可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)快速制動。當(dāng)DIR=1時(shí)，HIN、LIN控制信號仿真圖和實(shí)際波形分別如圖3-10和圖3-11所示。

　　3、IR2110介紹及懸浮驅(qū)動電路設(shè)計(jì)分析

　　IR2110是美國IR推出的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動集成電路，已在電源變換、馬達(dá)調(diào)速等功率驅(qū)動領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。該電路芯片體積小，集成度高，響應(yīng)快，偏值電壓高，驅(qū)動能力強(qiáng)，內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，而且其成本低，易于調(diào)試，并設(shè)有外部保護(hù)封鎖端口。尤其是上管驅(qū)動采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動電源數(shù)目較其他驅(qū)動IC大大減小。對于4管構(gòu)成的H橋電路，采用2片IR2110驅(qū)動2個橋臂，僅需要一路10-20V電源。

　　如圖3-12所示為一側(cè)橋臂懸浮自舉電路，兩側(cè)對稱電路見附錄。C13為自舉電容，當(dāng)?shù)蛪狠敵龆舜蜷_（LIN=1）、高壓輸出端關(guān)閉（HIN=0）時(shí)，低壓側(cè)12V電源電壓經(jīng)D3、C13、負(fù)載、Q4和另一側(cè)Q3給C13充電，當(dāng)?shù)蛪狠敵龆岁P(guān)閉（LIN=0）、高壓輸出端打開（HIN=1）時(shí)，Q2管的柵極靠C13上足夠的儲能來驅(qū)動，從而在邏輯信號的控制下循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)NMOS管的懸浮自舉驅(qū)動。若負(fù)載阻抗較大，自舉電容經(jīng)負(fù)載降壓充電較慢，使得Q4關(guān)斷、Q2開通時(shí)，自舉電容上的電壓仍充電達(dá)不到自舉電壓8．3V以上時(shí)，輸出驅(qū)動信號會因欠壓被邏輯封鎖，Q2就無法正常工作。所以，要么選用小容量電容，以提高充電電壓；要么為自舉電容提供快速充電通路。

　　由于Q4每開關(guān)一次，C13就通過Q4充電一次，因此自舉電容C13的充電還與輸入信號HIN、LIN的PWM脈沖頻率和占空比有關(guān)，當(dāng)PWM工作頻率過低時(shí)，若Q2導(dǎo)通脈寬較窄，自舉電壓8．3V容易滿足；反之無法實(shí)現(xiàn)自舉。因此要合理設(shè)置PWM開關(guān)頻率和占空比調(diào)節(jié)范圍，并且PWM的占空比不能達(dá)到100%，否則無法給自舉電容充電，也就無法自舉驅(qū)動。通過實(shí)驗(yàn)自舉電容和自舉二極管的選擇應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

　　（1）自舉電容的選擇與PWM的頻率有關(guān)，頻率高，自舉電容應(yīng)該選擇小一點(diǎn)的；

　?。?）自舉電容的種類最好是鉭電容，本設(shè)計(jì)選用的是1uF的鉭電容和一只0.1uF的獨(dú)石電容并聯(lián)；

　　（3）盡量使自舉回路上不經(jīng)過大阻抗負(fù)載，這樣就要為自舉電容充電提供快速充電通路；

　?。?）對于占空比調(diào)節(jié)較大的場合，特別是在高占空比時(shí)，Q4開通時(shí)間較短，自舉電容應(yīng)該選擇小點(diǎn)的；

　?。?）自舉二極管能阻斷直流干線上的高壓，二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應(yīng)選用漏電流小的快恢復(fù)二極管（高頻），本設(shè)計(jì)選用的是IN4148。

　　由于驅(qū)動器和MOSFET柵極之間的引線、地回路的引線等所產(chǎn)生的電感，以及IC和FET內(nèi)部的寄生電感，在開啟時(shí)會在MOSFET柵極出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，一方面增加MOSFET的開關(guān)損耗，同時(shí)EMC方面不好控制。在MOSFET的柵極和驅(qū)動IC的輸出之間串聯(lián)一個電阻，如圖3-12中R6、R8，這個電阻稱為“柵極電阻”，其作用是調(diào)節(jié)MOSFET的開關(guān)速度，減少柵極出現(xiàn)的振鈴現(xiàn)象，減小EMI，也可以對柵極電容充放電起限流作用。該電阻的引入減慢了MOS管的開關(guān)速度，但卻能減少EMI，使柵極穩(wěn)定。同時(shí)MOS管的關(guān)斷時(shí)間要比開啟時(shí)間慢（開啟充電，關(guān)斷放電），因此就要改變MOS管的關(guān)斷速度，可以在柵極電阻上反向并聯(lián)一個二極管，如圖3-12中D5、D7，當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，二極管導(dǎo)通，將柵極電阻短路從而減少放電時(shí)間，使MOS管實(shí)現(xiàn)快速放電，確保上下橋臂MOS管不會同時(shí)導(dǎo)通。

　　因電機(jī)是感性負(fù)載，在H橋的輸出端、正極到電機(jī)外殼、負(fù)極到電機(jī)外殼分別接一個0.1uF的小電容，可以起到換向時(shí)消除火花的作用保護(hù)電機(jī)。同時(shí)在局部供電部分加一個去藕電容以保證電源穩(wěn)定，如圖3-12中C7。

　　驅(qū)動模塊在設(shè)計(jì)時(shí)除考慮到做電機(jī)驅(qū)動用，還可以擴(kuò)展應(yīng)用為直流數(shù)控電源，如圖3-12所示，做電機(jī)驅(qū)動時(shí)電感L1用導(dǎo)線短接，C15、C17、R10、R11空缺不管，當(dāng)做直流數(shù)控電源電感L1、C15、C17組成LC濾波電路，對脈沖信號進(jìn)行濾波，同時(shí)電感L1還起著續(xù)流儲能作用，R10、R11構(gòu)成反饋回路，將實(shí)時(shí)電壓信號反饋給MCU，MCU再控制PWM信號的輸出，這樣可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的數(shù)控電源。

　　二、系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)分析

　　本系統(tǒng)所需的電源有5V、12V、16V，其中5V用于單片機(jī)、液晶、驅(qū)動芯片，12V用于IR2110S驅(qū)動芯片的低端電源電壓，16V是電機(jī)驅(qū)動電源，整個系統(tǒng)采用16V供電。5V和12V分別采用78M05和78M12三端穩(wěn)壓芯片經(jīng)過16V穩(wěn)壓提供。78MXX三端穩(wěn)壓集成芯片芯片采用TO-252DPAK封裝，最大輸出電流500mA，滿足系統(tǒng)要求。78MXX最大輸入電壓35V，具有過流過熱短路保護(hù)功能。由于5V由16V穩(wěn)壓得到，壓差較大△U=16-5=11V，假如系統(tǒng)5V電源輸出電流I≈300mA，將會導(dǎo)致大量的能量浪費(fèi)，△P=△U*I≈3.3W，所以為降低能量損耗，保護(hù)穩(wěn)壓芯片延長使用壽命，本設(shè)計(jì)將驅(qū)動電路5V電源和單片機(jī)及LCD顯示部分5V電源分開，分別用一片78M05供電，同時(shí)取消LCD背光功能，以減小電流降低功耗。電源模塊電路原理圖如圖3-13所示。