詳解直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計

1、直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計目標(biāo)在直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計中，主要考慮以下幾點：功能：電機是單向還是雙向轉(zhuǎn)動？需不需要調(diào)速？對于單向的電機驅(qū)動，只要用 一個大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動電機即可，當(dāng)電機需要雙向 轉(zhuǎn)動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者使用一個雙刀雙擲的 繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使 用三極管，場效應(yīng)管等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。性能：對于PWM調(diào)速的電機驅(qū)動電路，主要有以下性能指標(biāo)：輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動多大功率的電機。效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從

2、保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（H橋或推挽 電路可能出現(xiàn)的一個問題，即兩個功率器件同時導(dǎo)通使電源短路）入手。對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現(xiàn)隔離。對電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染； 大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動?？煽啃?。電機驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源 負載，電路都是安全的。輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：輸入信號線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號線。注意1腳對地連接了一個2K歐的電阻。當(dāng)驅(qū)動板與單片機分別供電時，這個電阻可以提供 信號電

3、流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動板與單片機共用一組電源時，這個電阻可以防 止大電流沿著連線流入單片機主板的地線造成干擾。或者說，相當(dāng)于把驅(qū)動 板的地線與單片機的地線隔開，實現(xiàn)“一點接地”。高速運放KF347（也可以用TL084）的作用是比較器，把輸入邏輯信號同 來自指示燈和一個二極管的2.7V基準(zhǔn)電壓比較，轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓 幅度的方波信號。KF347的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓，否則會出錯。 因此在運放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個電阻一 個用來限流，一個用來在輸入懸空時把輸入端拉到低電平。不能用LM339或其他任何開路輸出的比較器代替運放，因為開路輸出的 高電平狀態(tài)輸出阻抗

4、在1千歐以上，壓降較大，后面一級的三極管將無法截 止柵極驅(qū)動部分：后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進一步放大信號，驅(qū)動場效應(yīng)管 的柵極并利用場效應(yīng)管本身的柵極電容（大約1000pF）進行延時，防止H橋上 下兩臂的場效應(yīng)管同時導(dǎo)通（“共態(tài)導(dǎo)通”）造成電源短路。當(dāng)運放輸出端為低電平（約為1V至2V,不能完全達到零）時，下面的三極 管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)通。上面的三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止，輸出為高電平。 當(dāng)運放輸出端為高電平（約為VCC-（1V至2V）,不能完全達到VCC）時，下面的 三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止。上面的三極管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出為低 電平。上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開關(guān)轉(zhuǎn)換的動態(tài)過

5、程：三極管導(dǎo)通電阻 遠小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時場效應(yīng)管柵極電容上的電荷 可以迅速釋放，場效應(yīng)管迅速截止。但是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止時場效應(yīng) 管柵極通過2千歐電阻充電卻需要一定的時間。相應(yīng)的，場效應(yīng)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn) 換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通的速度快。假如兩個三極管的開關(guān)動 作是同時發(fā)生的，這個電路可以讓上下兩臂的場效應(yīng)管先斷后通，消除共態(tài) 導(dǎo)通現(xiàn)象。實際上，運放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)運放輸出電壓 處于正負電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導(dǎo)通，場效應(yīng)管就同 時截止了。所以實際的電路比這種理想情況還要安全一些。場效應(yīng)管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場效應(yīng)管

6、柵極過壓擊穿。一般 的場效應(yīng)管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會擊穿，因此這 個穩(wěn)壓二極管不能用普通的二極管代替，但是可以用2千歐的電阻代替，同 樣能得到12V的分壓。場效應(yīng)管輸出部分：大功率場效應(yīng)管內(nèi)部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成H橋使 用時，相當(dāng)于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個二極管，因此這里就 沒有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個小電容（out1和out2之間）對降低電機產(chǎn) 生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時有產(chǎn)生尖峰電流的副作用， 因此容量不宜過大。在使用小功率電機時這個電容可以略去。如果加這個電 容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會出現(xiàn)擊

7、穿短路的故障。輸出端并聯(lián)的由電阻和發(fā)光二極管，電容組成的電路指示電機的轉(zhuǎn)動方向.4、性能指標(biāo)：電源電壓1530 V,最大持續(xù)輸出電流5A/每個電機，短時間（10秒）可 以達到10A,PWM頻率最高可以用到30KHz（一般用1到10KHz）。電路板包含 4個邏輯上獨立的，輸出端兩兩接成H橋的功率放大單元，可以直接用單片 機控制。實現(xiàn)電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速。5、PCB的布局布線：大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過過孔，一定要經(jīng)過過孔的 話要把過孔做大一些（1mm）并且在焊盤上做一圈小的過孔，在焊接時用焊錫 填滿，否則可能會燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場效應(yīng)管源極對電源和 地的導(dǎo)線要盡可能的短

8、粗，否則在大電流時，這段導(dǎo)線上的壓降可能會經(jīng)過 正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)通的三極管將其燒毀。在一開始的設(shè)計中，NMOS管的源極 于地之間曾經(jīng)接入一個0.15歐的電阻用來檢測電流，這個電阻就成了不斷 燒毀板子的罪魁禍?zhǔn)?。?dāng)然如果把穩(wěn)壓管換成電阻就不存在這個問題了。電機驅(qū)動電路的PCB需要采用特殊的冷卻技術(shù)，以解決功耗問題。印刷 電路板（PCB）基材（例如FR-4環(huán)氧樹脂玻璃）的導(dǎo)熱性較差。相反，銅 的導(dǎo)熱性非常出色。因此，從熱管理角度來看，增加 PCB中的銅面積是一 個理想方案。厚銅箔（例如：2盎司（68微米厚）的導(dǎo)熱性優(yōu)于較薄的 銅箔。然而，使用厚銅箔的成本較高，并且難以實現(xiàn)精細的幾何形狀。因此，使用

9、1盎司（34微米）銅箔變得很常見。外層通常使用盎司 到1盎司的銅箔。多層電路板內(nèi)層使用的固體銅面具有良好的散熱性。然而， 由于這些銅面通常都置于電路板疊層的中央，因此熱量會聚集在電路板內(nèi)部。 增加PCB外層的銅面積，并經(jīng)由許多通孔連接或“縫接”至內(nèi)層，有助于 將熱量轉(zhuǎn)移到內(nèi)層外部。由于存在走線和元件，雙層PCB的散熱可能會更加困難。因此，盡可 能多地提供固體銅面，并實現(xiàn)與電機驅(qū)動器 IC的良好熱連接顯得非常必要。 在兩個外層上都增加覆銅區(qū)，并將其與許多通孔連接在一起，有助于由走線 和元件分割的各區(qū)域間散熱。a、走線寬度：越寬越好由于電機驅(qū)動器IC的進出電流較大（在一些情況下超過10 A），因

10、此應(yīng)謹慎考慮進出器件的PCB走線寬度。走線越寬，電阻越低。必須調(diào)整 走線尺寸，以使走線電阻不會消耗過多功率，避免導(dǎo)致走線升溫。太小的走 線其實可以作為電熔絲，并且容易燒斷！設(shè)計師通常使用IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)來確定適當(dāng)?shù)淖呔€寬度。這一規(guī)范針對 各種電流電平和允許的溫升提供了顯示銅橫截面積的相應(yīng)圖表，可轉(zhuǎn)換為給 定銅層厚度條件下的走線寬度。例如1盎司銅層中承載10 A電流的走線 需要稍寬于7 mm，以實現(xiàn)10C的溫升。針對1-A電流，走線寬度只需為 0.3 mm。鑒于此，10 A電流似乎不可能通過微型IC板。需要理解的是，IPC-2221中建議的走線寬度適用于等寬長距離PCB走 線。如果采用更短的

11、PCB走線也有可能通過更大得多的電流，且不會產(chǎn)生任 何不良作用。這是因為短而窄的PCB走線電阻較小，且產(chǎn)生的任何熱量都 將被吸收至更寬的銅區(qū)域，而該區(qū)域則起到了散熱片的作用。加寬PCB走線，以使IC板能夠更好地處理持續(xù)電流。參見圖中的示例。盡管該器件的IC板只有0.4 mm寬，但它們必須承 載高達3 A的持續(xù)電流。所以我們需要盡可能地將走線加寬，并靠近器件。走線較窄部分產(chǎn)生的任何熱量被傳導(dǎo)至較寬的銅區(qū)域，以使較窄走線的 溫升可以忽略不計。嵌入在PCB內(nèi)層的走線無法像外層的走線一樣充分散熱，因為絕緣基 板的導(dǎo)熱性不佳。為此，內(nèi)層走線應(yīng)設(shè)計為外層走線的約兩倍寬。作為一個大致的指導(dǎo)方針，下表顯示了電

12、機驅(qū)動器應(yīng)用中較長走線（超 過大約2 cm）的建議走線寬度。如果空間允許，使用更寬走線或覆銅區(qū)的布線可使溫升和壓降達到最低。b、熱通孔:盡可能多地使用通孔是小型的電鍍孔，通常用于將一根走線從一層穿至另一層。雖然熱 通孔采用同樣的方式制成，但卻用于將熱量從一層傳至另一層。適當(dāng)使用熱 通孔對于PCB的散熱至關(guān)重要，但是必須考慮幾個工藝性問題。通孔具有熱阻，這意味著當(dāng)熱量流過通孔時，通孔之間會出現(xiàn)一些溫降， 測量單位為。C/W。為使這一熱阻降至最低，并提高通孔傳輸熱量時的效率， 應(yīng)使用大通孔，且孔內(nèi)應(yīng)含有盡可能多的銅面積。應(yīng)使用大通孔（圖為通孔的橫截面），且孔內(nèi)應(yīng)含有盡可能多的銅面積，以 使熱阻降至

13、最低。盡管在PCB的開口區(qū)域可以使用大通孔，但通孔往往置于IC板區(qū)域 內(nèi)，以直接從IC封裝中轉(zhuǎn)移熱量。在這種情況下，無法使用大通孔。這是 因為大型的電鍍通孔可能會導(dǎo)致“滲錫”，即用于連接 IC與PCB的焊料 向下流入通孔中，從而導(dǎo)致焊接點質(zhì)量不佳?？梢酝ㄟ^幾種方式來減少滲錫。其中一種是使用非常小的通孔，以減少 滲入到孔中的焊料量。然而，小型通孔的熱阻更高，因此為實現(xiàn)相同的熱力 性能，需要更多的通孔。另一種技術(shù)是在板的背面為通孔“搭帳篷”。這需要移除板背面阻焊層 中的缺口，以使阻焊層材料蓋住通孔。如果通孔較小，阻焊層將塞住通孔； 因此，焊料就無法滲透PCB。不過，這可能會產(chǎn)生另外一個問題：焊劑聚

14、集。通孔被塞住后，通孔中 可能會聚集焊劑（焊膏的一種成分）。一些焊劑配方可能具有腐蝕性，如不 去除，時間一長會導(dǎo)致可靠性問題。不過，現(xiàn)代大多數(shù)免清洗焊劑工藝不具 有腐蝕性，且不會導(dǎo)致問題。請注意，熱通孔不得使用熱風(fēng)焊盤，它們必須直接連接至銅區(qū)域。Solid cortnectianThermal relief熱通孔應(yīng)直接連接PCB上的銅區(qū)域。建議PCB設(shè)計人員與表面貼裝技術(shù)（SMT）工藝工程師一起檢查PCB 組裝件，以選擇適用于該組裝件工藝的最佳通孔尺寸和結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)熱通 孔置于IC板區(qū)域內(nèi)時。c、電容的布放電機驅(qū)動器IC的元件布局指南與其他類型的電源IC類似。旁路電容 器應(yīng)盡可能地靠近器件電

15、源引腳，而大容量電容器則置于其旁邊。許多電機大多數(shù)信號直接在頂層路由。電源從大容量電容器路由至底層的旁路和電荷泵電容器，同時在各層過渡之處使用多個通孔。TSSOP和QFN封裝的器件底層有一個較大的外露式IC板。該IC板 連接至芯片的背面，用于去除器件中的熱量。該IC板必須充分焊接至PCB 上，以消耗功率。為沉積該IC板的焊膏而使用的模具開口并不一定會在IC數(shù)據(jù)表中詳 細說明。通常，SMT工藝工程師對模具上應(yīng)沉積多少焊料以及模具應(yīng)使用何 種圖案有其自己的規(guī)則。如果使用類似于IC板大小的單個開口，則會沉積大量焊膏。這樣可能 會因焊料熔化時的表面張力而導(dǎo)致器件被抬起。另一個問題是焊料空洞（焊 料區(qū)域

16、內(nèi)的空腔或缺口）。在回流焊過程中，焊劑的揮發(fā)性成分蒸發(fā)或沸騰 時，就會出現(xiàn)焊料空洞。這可能會導(dǎo)致焊料被推出焊接點。IlllllllIlllllll為解決這些問題，針對面積大于約2平方毫米的IC板，焊膏通常沉 積在幾個小的方形或圓形區(qū)域。將焊膏分成更小的區(qū)域可使焊劑的揮發(fā)性成 分更易于逸散出焊膏，而不會使焊料移位。QFN封裝的該焊料模有四個小開口，用于沉積中央IC板上的焊膏。SOT-23 和 SOIC 封裝標(biāo)準(zhǔn)的引線封裝（如SOIC和SOT-23封裝）通常用于低功率電機驅(qū)動 器中。為了充分提高引線封裝的功耗能力，采用“倒裝芯片引線框架”結(jié)構(gòu)。在不使用接合線的情況下，使用銅凸點和焊料將芯片粘接至金

17、屬引線，從而可通過引線將熱量從芯片傳導(dǎo)至PCB。倒裝芯片引線框架結(jié)構(gòu)有助于充分提高引線封裝的功耗能力。通過將較大的銅區(qū)域連接至承載較大電流的引線，可優(yōu)化熱性能。在電 機驅(qū)動器IC上，通常電源、接地和輸出引腳均連接至銅區(qū)域。如下圖所示為“倒裝芯片引線框架” SOIC封裝的典型PCB布局。引腳 2為器件電源引腳。請注意，銅區(qū)域置于頂層器件的附近，同時幾個熱通孔 將該區(qū)域連接至PCB背面的銅層。引腳4為接地引腳，并連接至表層的接 地覆銅區(qū)。引腳3 （器件輸出）也被路由至較大的銅區(qū)域。倒裝芯片SOIC PCB布局請注意，SMT板上沒有熱風(fēng)焊盤；它們牢牢地連接至銅區(qū)域。這對實現(xiàn) 良好的熱性能至關(guān)重要。Q

18、FN和TSSOP封裝TSSOP封裝為長方形，并使用兩排引腳。電機驅(qū)動器IC的TSSOP封 裝通常在封裝底部帶有一個較大的外露板，用于排除器件中的熱量。TSSOP封裝通常在底部帶有一個較大的外露板，用于排除熱量。QFN封裝為無引線封裝，在器件外緣周圍帶有板，器件底部中央還帶有 一個更大的板。這個更大的板用于吸收芯片中的熱量。為排除這些封裝中的熱量，外露板必須進行良好的焊接。外露板通常為 接地電位，因此可以接入PCB接地層。在理想情況下，熱通孔直接位于板區(qū)域。在的TSSOP封裝的示例中， 采用了一個18通孔陣列，鉆孔直徑為0.38 mm。該通孔陣列的計算熱阻約 為 7.7 C/W。sowrao C4V w “sni采用了一個18熱通孔陣列的TSSOP封裝PCB布局通常，這些熱通孔使用0.4 mm及更小的鉆孔直徑，以防止出現(xiàn)滲錫。 如果SMT工藝要求使用更小的孔徑，則應(yīng)增加孔數(shù)，以盡可能保持較低的 整體熱阻。除了位于板區(qū)域的通孔，IC主體外部區(qū)域也設(shè)有熱通孔。在TSSOP封 裝中，銅區(qū)域可延伸至封裝末端之外，這為器件中的熱量穿過頂部的銅層提 供了另一種途徑。QFN器件封裝邊緣四周的板避免在頂部使用銅層吸收熱量。必須使用熱 通孔將熱量驅(qū)散至內(nèi)層或PCB的底層。采用9個熱通孔的QFN封裝PCB布局圖中的PCB布局所示為一個小型的QFN (4 X 4 mm)器件。