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前级PWM信号和方向控制信号逻辑处理电路设计分析 - ir2110驱动mos管详解

2018年03月04日 14:20 网络整理 作者: 用户评论(0

  2、前级PWM信号和方向控制信号逻辑处理电路设计分析

  由于H桥控制MOS管的开关需要4路控制信号,对于由NMOS管组成H桥的一侧而言,一般情况下,上下两管共用一个控制信号,并且其中一只NMOS管的控制信号是将共用的控制信号反向得到的,如图3-7所示,74HC14的作用是将输入的控制信号反向作为下管的控制信号,从而保证上下两个MOS管不会同时导通,那么对于一个完整的H桥就要2路PWM信号来控制电机的速度和正反转,而且两路PWM信号还必须保证同步且极性相反,对于低端单片机而言这一点不是很容易做到。

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  本设计在上面所述的思想上做了改进和延伸,通过一路PWM信号、一路DIR方向控制信号、74HC00、74HC08数字芯片,实现四路控制信号的输出,上下两管的逻辑控制信号具有有互锁保护功能,从而保证同侧桥臂的上下NMOS管不会同时导通造成能量浪费甚至烧毁MOS管和电源。如图3-8所示,HIN1、LIN1、HIN2、LIN2分别为两侧上下管的控制信号,HIN1、LIN1不能同时为1,HIN2、LIN2不能同时为1。DIR=1时,电机正转,DIR=0时,电机反转。当DIR=1正转时,LIN2恒为1,图3-9中Q3始终导通,HIN1、LIN1通过PWM控制导通时间调节转速,当DIR=0反转时,LIN1恒为1,图3-9中Q4始终导通,HIN2、LIN2通过PWM控制导通时间调节转速。DIR=0或1,两桥臂下管始终导通,这也为自举电容的快速充电提增加了一条回路,也就是说不管是正转还是反转,当上管关闭时两侧下管可同时提供充电回路,而不是单侧的下管,因为电机阻抗的存在,起主要充电作用的还是单侧的下管。当PWMZ占空比为0时,LIN1、LIN2都为1时,两侧下管同时导通将电机两端接地,这样可以实现电机快速制动。当DIR=1时,HIN、LIN控制信号仿真图和实际波形分别如图3-10和图3-11所示。

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  3、IR2110介绍及悬浮驱动电路设计分析

  IR2110是美国IR推出的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路,已在电源变换、马达调速等功率驱动领域中获得了广泛的应用。该电路芯片体积小,集成度高,响应快,偏值电压高,驱动能力强,内设欠压封锁,而且其成本低,易于调试,并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电,使得驱动电源数目较其他驱动IC大大减小。对于4管构成的H桥电路,采用2片IR2110驱动2个桥臂,仅需要一路10-20V电源。

  如图3-12所示为一侧桥臂悬浮自举电路,两侧对称电路见附录。C13为自举电容,当低压输出端打开(LIN=1)、高压输出端关闭(HIN=0)时,低压侧12V电源电压经D3、C13、负载、Q4和另一侧Q3给C13充电,当低压输出端关闭(LIN=0)、高压输出端打开(HIN=1)时,Q2管的栅极靠C13上足够的储能来驱动,从而在逻辑信号的控制下循环往复,从而实现NMOS管的悬浮自举驱动。若负载阻抗较大,自举电容经负载降压充电较慢,使得Q4关断、Q2开通时,自举电容上的电压仍充电达不到自举电压8.3V以上时,输出驱动信号会因欠压被逻辑封锁,Q2就无法正常工作。所以,要么选用小容量电容,以提高充电电压;要么为自举电容提供快速充电通路。

  由于Q4每开关一次,C13就通过Q4充电一次,因此自举电容C13的充电还与输入信号HIN、LIN的PWM脉冲频率和占空比有关,当PWM工作频率过低时,若Q2导通脉宽较窄,自举电压8.3V容易满足;反之无法实现自举。因此要合理设置PWM开关频率和占空比调节范围,并且PWM的占空比不能达到100%,否则无法给自举电容充电,也就无法自举驱动。通过实验自举电容和自举二极管的选择应考虑以下几点:

  (1)自举电容的选择与PWM的频率有关,频率高,自举电容应该选择小一点的;

  (2)自举电容的种类最好是钽电容,本设计选用的是1uF的钽电容和一只0.1uF的独石电容并联;

  (3)尽量使自举回路上不经过大阻抗负载,这样就要为自举电容充电提供快速充电通路;

  (4)对于占空比调节较大的场合,特别是在高占空比时,Q4开通时间较短,自举电容应该选择小点的;

  (5)自举二极管能阻断直流干线上的高压,二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失,应选用漏电流小的快恢复二极管(高频),本设计选用的是IN4148。

  由于驱动器和MOSFET栅极之间的引线、地回路的引线等所产生的电感,以及IC和FET内部的寄生电感,在开启时会在MOSFET栅极出现振铃现象,一方面增加MOSFET的开关损耗,同时EMC方面不好控制。在MOSFET的栅极和驱动IC的输出之间串联一个电阻,如图3-12中R6、R8,这个电阻称为“栅极电阻”,其作用是调节MOSFET的开关速度,减少栅极出现的振铃现象,减小EMI,也可以对栅极电容充放电起限流作用。该电阻的引入减慢了MOS管的开关速度,但却能减少EMI,使栅极稳定。同时MOS管的关断时间要比开启时间慢(开启充电,关断放电),因此就要改变MOS管的关断速度,可以在栅极电阻上反向并联一个二极管,如图3-12中D5、D7,当MOS管关断时,二极管导通,将栅极电阻短路从而减少放电时间,使MOS管实现快速放电,确保上下桥臂MOS管不会同时导通。

  因电机是感性负载,在H桥的输出端、正极到电机外壳、负极到电机外壳分别接一个0.1uF的小电容,可以起到换向时消除火花的作用保护电机。同时在局部供电部分加一个去藕电容以保证电源稳定,如图3-12中C7。

  驱动模块在设计时除考虑到做电机驱动用,还可以扩展应用为直流数控电源,如图3-12所示,做电机驱动时电感L1用导线短接,C15、C17、R10、R11空缺不管,当做直流数控电源电感L1、C15、C17组成LC滤波电路,对脉冲信号进行滤波,同时电感L1还起着续流储能作用,R10、R11构成反馈回路,将实时电压信号反馈给MCU,MCU再控制PWM信号的输出,这样可以实现闭环的数控电源。

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  二、系统电源电路设计分析

  本系统所需的电源有5V、12V、16V,其中5V用于单片机、液晶、驱动芯片,12V用于IR2110S驱动芯片的低端电源电压,16V是电机驱动电源,整个系统采用16V供电。5V和12V分别采用78M05和78M12三端稳压芯片经过16V稳压提供。78MXX三端稳压集成芯片芯片采用TO-252DPAK封装,最大输出电流500mA,满足系统要求。78MXX最大输入电压35V,具有过流过热短路保护功能。由于5V由16V稳压得到,压差较大△U=16-5=11V,假如系统5V电源输出电流I≈300mA,将会导致大量的能量浪费,△P=△U*I≈3.3W,所以为降低能量损耗,保护稳压芯片延长使用寿命,本设计将驱动电路5V电源和单片机及LCD显示部分5V电源分开,分别用一片78M05供电,同时取消LCD背光功能,以减小电流降低功耗。电源模块电路原理图如图3-13所示。

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( 发表人:姚远香 )

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