隨著(zhù)電力電子技術(shù)的進(jìn)步和微處理器技術(shù)的應用，大大改變了電機控制、電氣傳動(dòng)的面貌。形成了一門(mén)多學(xué)科交叉的“運動(dòng)控制”技術(shù)。運動(dòng)控制系統能使被控機械運動(dòng)實(shí)現精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制，以及這些被控機械量的綜合控制。H橋驅動(dòng)電路能與主處理器、電機等構成一個(gè)完整的運動(dòng)控制系統，可應用于步進(jìn)電機、交流電機及直流電機等的運動(dòng)控制。

　　1 電機運動(dòng)控制及其驅動(dòng)電路

　　在電機的運動(dòng)控制中，最常見(jiàn)的是電機的雙向轉動(dòng)和調速，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(gè)N溝道MOs管(M1～M4)和一個(gè)電機(M)組成的H橋。在圖1中，當M1和M4導通時(shí)，電流從電源正極經(jīng)M1從左至右穿過(guò)電機，然后再經(jīng)M4回到電源負極，電機沿順時(shí)針轉動(dòng)。在圖2中，當M3和M2導通時(shí)，電流從右至左流過(guò)電機，電機沿逆時(shí)針轉動(dòng)。因此，通過(guò)調整MOS管的導通與截止時(shí)序可以控制電機的轉向，通過(guò)調整流經(jīng)電機電流的大小可以控制電機的轉速。

　　在此介紹一款基于HIP4081設計的厚膜H橋電機驅動(dòng)電路，用于某炮瞄系統。電路內部集成了CMOS控制電路和由MOS管組成的H橋，它能為負載提供5 A的連續電流。該電路能在60 V的供電電源范圍內安全工作，用戶(hù)只需提供與TTL電平兼容的PWM信號就可進(jìn)行4象限模式的幅值和方向同時(shí)控制，而且與數字控制器的接口非常簡(jiǎn)單。其內部電路可提供適當的死區時(shí)間間隔以保護H橋的4個(gè)N溝道場(chǎng)效應管，效率可達97％。提供有與TTL兼容的使能管腳來(lái)關(guān)斷4個(gè)場(chǎng)效應管。

　　2 HIP4081內部結構及技術(shù)特點(diǎn)

　　HIP4081是intersil公司推出的一款專(zhuān)門(mén)用于控制H橋的高頻全橋驅動(dòng)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，分別獨立驅動(dòng)4個(gè)N溝道MoS管；輸出峰值電流為2 A；芯片內部具有電荷泵和死區時(shí)間設置；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達95 V，邏輯電源電壓范圍6～15 V，工作頻率高，可達1 MHz；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、電平平移及死區時(shí)間設置等。

　　3 HIP4081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(shí)現基本原理

　　電路原理框如圖5所示。

　　在圖5中，VCC為內部邏輯電路和MOS管上臂和下臂驅動(dòng)器的低壓電源；Vs為H橋供電電源，MOS管從這個(gè)電源端獲得輸出電流，該腳電壓范圍為Vcc～+80 V；V01，為半橋的輸出腳1，當PwM輸入ALI為高，BLI為低時(shí)，該腳輸出為Vs；Vo2為半橋的輸出腳2，當PwM輸入ALI為低，BLl為高時(shí)，該腳輸出為Vs；SENSE為2個(gè)半橋下臂的共同聯(lián)接點(diǎn)，可連接一個(gè)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(gè)MOS管，該腳為1時(shí)為關(guān)斷，為0時(shí)使能。

　　3．1 電路工作邏輯時(shí)序及電機運動(dòng)狀態(tài)分析

　　在圖5中，當使能端D1S處于高電平“1”時(shí)，無(wú)論ALI，BLI是“1”還是“O”，ALO，BLO，AH0，BH0都為“0”，電路處于禁止狀態(tài)，電機停轉。當使能端DIS處于低電平“O”時(shí)，ALl和BLI可通過(guò)反相器分別同時(shí)接收PWM信號的高電平“1”和低電平“0”。當ALl為1，BLI為0時(shí)，此時(shí)，ALO為1，AHO為0，BLO為O，BHO為1，H橋中的MOS管M1與M4導通，H橋處于圖1狀態(tài)，電機順時(shí)針旋轉。當ALI為O，BLI為1時(shí)，此時(shí)，AL0為0，AHO為1，BLO為1，BHO為O，H橋中的MOS管M3與M2導通，H橋處于圖2狀態(tài)，電機逆時(shí)針旋轉。當ALI，BLI同時(shí)為O時(shí)，ALO，BLO都為O，AH0，BHO都為1，電機中沒(méi)有電流流過(guò)，處于制動(dòng)狀態(tài)。當ALI，BLI同時(shí)為1時(shí)，AL0，BLO都為1，AHO，BHO都為O，電機中也沒(méi)有電流流過(guò)，同樣處于制動(dòng)狀態(tài)。其邏輯關(guān)系如表2所示。

3．2 死區時(shí)間的考慮

　　在圖5中，保證H橋上2個(gè)同側的MOS管(M1和M2，M3和M4)不會(huì )同時(shí)導通非常重要。如果MOS管M1和M2(或M3和M4)同時(shí)導通，那么電流就會(huì )從電源Vs正極穿過(guò)2個(gè)MOS管直接回到負極。此時(shí)，電路中除了MOS管外沒(méi)有其他任何負載，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�；�于上述原因，在實(shí)際驅動(dòng)電路中要使M1與M2或M3與M4在導通時(shí)間上有一個(gè)延遲，也稱(chēng)死區時(shí)間。

　　HIP4081留有HDEL和LDEL兩個(gè)端口(見(jiàn)圖4)，用戶(hù)通過(guò)外接電阻，可根據實(shí)際電路工作情況，自行定制死區時(shí)間。死區時(shí)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，決定驅動(dòng)電路效率的主要是以下3個(gè)因素：H1P4081的靜態(tài)功耗；Vcc電源的動(dòng)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，但遠小于(3)項(尤其是滿(mǎn)負荷輸出時(shí))。而MOS管的I2R由其導通電阻決定，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HEXFETPower MOSFET IRFPP250N，其導通電阻為O．075 Ω，降低了導通損耗，提高了效率。

　　3．4 產(chǎn)品結構的考慮

　　(1)該產(chǎn)品結構采用厚膜混合集成技術(shù)設計，如圖7所示，在具有高導熱率的AlN陶瓷基板上通過(guò)厚膜印燒工藝制作厚膜基板，并通過(guò)基板金屬化與焊接技術(shù)，將ALN基板與金屬外殼進(jìn)行焊接，大大提高了電路的導熱能力和功率密度。

　　(2)在圖7中，產(chǎn)品內部全部有源器件采用裸芯片，通過(guò)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32 mm×32 mm×7 mm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)品內部級連和焊點(diǎn)，提高了可靠性。

　　4 結 語(yǔ)

　　這里設計的厚膜H橋電機驅動(dòng)電路經(jīng)過(guò)實(shí)際應用表明：該電路不僅安全可靠地實(shí)現了電機的雙向轉動(dòng)和調速,提高了驅動(dòng)電路和系統的可靠性，而且產(chǎn)品體積小，導熱性能好，效率高，能在惡劣的使用環(huán)境下安全工作，適合軍、民兩用。