2、前級PWM信號和方向控制信號邏輯處理電路設計分析

　　由于H橋控制MOS管的開關需要4路控制信號，對于由NMOS管組成H橋的一側而言，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管不會同時導通，那么對于一個完整的H橋就要2路PWM信號來控制電機的速度和正反轉，而且兩路PWM信號還必須保證同步且極性相反，對于低端單片機而言這一點不是很容易做到。

　　本設計在上面所述的思想上做了改進和延伸，通過一路PWM信號、一路DIR方向控制信號、74HC00、74HC08數字芯片，實現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功能，從而保證同側橋臂的上下NMOS管不會同時導通造成能量浪費甚至燒毀MOS管和電源。如圖3-8所示，HIN1、LIN1、HIN2、LIN2分別為兩側上下管的控制信號，HIN1、LIN1不能同時為1，HIN2、LIN2不能同時為1。DIR=1時，電機正轉，DIR=0時，電機反轉。當DIR=1正轉時，LIN2恒為1，圖3-9中Q3始終導通，HIN1、LIN1通過PWM控制導通時間調節(jié)轉速，當DIR=0反轉時，LIN1恒為1，圖3-9中Q4始終導通，HIN2、LIN2通過PWM控制導通時間調節(jié)轉速。DIR=0或1，兩橋臂下管始終導通，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還是反轉，當上管關閉時兩側下管可同時提供充電回路，而不是單側的下管，因為電機阻抗的存在，起主要充電作用的還是單側的下管。當PWMZ占空比為0時，LIN1、LIN2都為1時，兩側下管同時導通將電機兩端接地，這樣可以實現電機快速制動。當DIR=1時，HIN、LIN控制信號仿真圖和實際波形分別如圖3-10和圖3-11所示。

　　3、IR2110介紹及懸浮驅動電路設計分析

　　IR2110是美國IR推出的大功率MOSFET和IGBT專用驅動集成電路，已在電源變換、馬達調速等功率驅動領域中獲得了廣泛的應用。該電路芯片體積小，集成度高，響應快，偏值電壓高，驅動能力強，內設欠壓封鎖，而且其成本低，易于調試，并設有外部保護封鎖端口。尤其是上管驅動采用外部自舉電容上電，使得驅動電源數目較其他驅動IC大大減小。對于4管構成的H橋電路，采用2片IR2110驅動2個橋臂，僅需要一路10-20V電源。

　　如圖3-12所示為一側橋臂懸浮自舉電路，兩側對稱電路見附錄。C13為自舉電容，當低壓輸出端打開（LIN=1）、高壓輸出端關閉（HIN=0）時，低壓側12V電源電壓經D3、C13、負載、Q4和另一側Q3給C13充電，當低壓輸出端關閉（LIN=0）、高壓輸出端打開（HIN=1）時，Q2管的柵極靠C13上足夠的儲能來驅動，從而在邏輯信號的控制下循環(huán)往復，從而實現NMOS管的懸浮自舉驅動。若負載阻抗較大，自舉電容經負載降壓充電較慢，使得Q4關斷、Q2開通時，自舉電容上的電壓仍充電達不到自舉電壓8．3V以上時，輸出驅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，當PWM工作頻率過低時，若Q2導通脈寬較窄，自舉電壓8．3V容易滿足；反之無法實現自舉。因此要合理設置PWM開關頻率和占空比調節(jié)范圍，并且PWM的占空比不能達到100%，否則無法給自舉電容充電，也就無法自舉驅動。通過實驗自舉電容和自舉二極管的選擇應考慮以下幾點：

　　（1）自舉電容的選擇與PWM的頻率有關，頻率高，自舉電容應該選擇小一點的；

　　（2）自舉電容的種類最好是鉭電容，本設計選用的是1uF的鉭電容和一只0.1uF的獨石電容并聯；

　?。?）盡量使自舉回路上不經過大阻抗負載，這樣就要為自舉電容充電提供快速充電通路；

　?。?）對于占空比調節(jié)較大的場合，特別是在高占空比時，Q4開通時間較短，自舉電容應該選擇小點的；

　?。?）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頻率之積。為了減少電荷損失，應選用漏電流小的快恢復二極管（高頻），本設計選用的是IN4148。

　　由于驅動器和MOSFET柵極之間的引線、地回路的引線等所產生的電感，以及IC和FET內部的寄生電感，在開啟時會在MOSFET柵極出現振鈴現象，一方面增加MOSFET的開關損耗，同時EMC方面不好控制。在MOSFET的柵極和驅動IC的輸出之間串聯一個電阻，如圖3-12中R6、R8，這個電阻稱為“柵極電阻”，其作用是調節(jié)MOSFET的開關速度，減少柵極出現的振鈴現象，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管的開關速度，但卻能減少EMI，使柵極穩(wěn)定。同時MOS管的關斷時間要比開啟時間慢（開啟充電，關斷放電），因此就要改變MOS管的關斷速度，可以在柵極電阻上反向并聯一個二極管，如圖3-12中D5、D7，當MOS管關斷時，二極管導通，將柵極電阻短路從而減少放電時間，使MOS管實現快速放電，確保上下橋臂MOS管不會同時導通。

　　因電機是感性負載，在H橋的輸出端、正極到電機外殼、負極到電機外殼分別接一個0.1uF的小電容，可以起到換向時消除火花的作用保護電機。同時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。

　　驅動模塊在設計時除考慮到做電機驅動用，還可以擴展應用為直流數控電源，如圖3-12所示，做電機驅動時電感L1用導線短接，C15、C17、R10、R11空缺不管，當做直流數控電源電感L1、C15、C17組成LC濾波電路，對脈沖信號進行濾波，同時電感L1還起著續(xù)流儲能作用，R10、R11構成反饋回路，將實時電壓信號反饋給MCU，MCU再控制PWM信號的輸出，這樣可以實現閉環(huán)的數控電源。

　　二、系統(tǒng)電源電路設計分析

　　本系統(tǒng)所需的電源有5V、12V、16V，其中5V用于單片機、液晶、驅動芯片，12V用于IR2110S驅動芯片的低端電源電壓，16V是電機驅動電源，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，將會導致大量的能量浪費，△P=△U*I≈3.3W，所以為降低能量損耗，保護穩(wěn)壓芯片延長使用壽命，本設計將驅動電路5V電源和單片機及LCD顯示部分5V電源分開，分別用一片78M05供電，同時取消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。