IR2104-+-IRF540-MOS電機(jī)驅(qū)動(dòng)全橋-學(xué)習(xí)與實(shí)踐過(guò)程

1、IR2104 + IRF540 MOS電機(jī)驅(qū)動(dòng)全橋 學(xué)習(xí)與實(shí)踐過(guò)程  使用L293或L298等全橋芯片來(lái)控制直流電機(jī)雖然簡(jiǎn)便而且成本低廉，但由于它們的內(nèi)阻較大，在控制大電流的馬達(dá)時(shí)芯片常常過(guò)熱，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體效率較低。在電動(dòng)車(chē)上，馬達(dá)控制芯片的內(nèi)阻過(guò)大會(huì)導(dǎo)致車(chē)子的加速度變小。    本人設(shè)想在暑假制作一個(gè)大的輪式或者履帶式機(jī)器人，并且希望它能跑到公交車(chē)那么快，于是開(kāi)始研究如何使用MOS管來(lái)控制更大電流的電機(jī)。    首先，本人參考了 大功率直流馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)ABU ROBOCON

2、 2005比賽之動(dòng)力方案一文中的電路圖 （原文地址     按照這個(gè)原理圖，我熱轉(zhuǎn)印制作了單個(gè)全橋的實(shí)驗(yàn)電路。個(gè)別的電阻電容值有所變動(dòng)。    上電并給予有效的持續(xù)高電平信號(hào)后發(fā)現(xiàn)電路不能驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，而2104開(kāi)始發(fā)燙，540沒(méi)有任何反應(yīng)。于是更換2104，但仍出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。通過(guò)示波器檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，高端MOS沒(méi)有被驅(qū)動(dòng)，而低端MOS的G端信號(hào)正常，因而橋沒(méi)有被導(dǎo)通。更換信號(hào)方向，另外半橋仍然出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。    本人開(kāi)始懷疑是BOOTSTRAP電容

3、的問(wèn)題，于是實(shí)驗(yàn)了不同的電容值。但無(wú)論怎么變換，問(wèn)題仍然沒(méi)有被解決。由于手頭沒(méi)有4148，使用了IN5819作為續(xù)流二極管，按道理5819只會(huì)比4148更好，不應(yīng)該成為問(wèn)題的原因。    由于手頭2104只有6片，而所有的都上電并且發(fā)熱過(guò)，于是重新購(gòu)買(mǎi)了一批2104。在這里感謝周順同學(xué)，那天剛好他畢業(yè)考考好，幫我到科技京城買(mǎi)了2104。    更換2104后，電路工作正常。周順看了看我原來(lái)的2104，恍然大悟：原來(lái)的芯片是97年前的舊貨。    馬達(dá)歡快地轉(zhuǎn)了起來(lái)。由于540

4、的內(nèi)阻要比298小很多，馬達(dá)的加速度明顯提高，變向時(shí)電刷更是發(fā)出了閃亮的火星。    回到家后用示波器開(kāi)始研究高端MOS的G端驅(qū)動(dòng)電壓波形。發(fā)現(xiàn)在EN端為高的初期，高端MOS的驅(qū)動(dòng)電壓突然升至比VCC高10V。此時(shí)強(qiáng)推動(dòng)作用起效。但隨著時(shí)間的流逝，該電壓逐漸衰減為VCC，MOS的導(dǎo)通程度越來(lái)越不完全。直到下一個(gè)脈沖到來(lái)，G端電壓又恢復(fù)為VCC+10V，但又逐漸衰減。也就是說(shuō)，用持續(xù)的高電平信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS會(huì)導(dǎo)致MOS不能被完全導(dǎo)通，致使MOS發(fā)熱，馬達(dá)的實(shí)際功率低下。使用PWM信號(hào)則可以解決這個(gè)問(wèn)題，它使BOOTSTRAP電容反復(fù)充電放電，使高端驅(qū)動(dòng)電壓

5、始終維持在一個(gè)比較高的水平。倘若想讓馬達(dá)全速前進(jìn)，不能使用持續(xù)的高電平，而需要用3%左右占空比的PWM，這是驅(qū)動(dòng)2104與驅(qū)動(dòng)298等全橋芯片的最大差別。    不同的BOOTSTRAP電容值適應(yīng)于不同頻率的PWM信號(hào)與不同的MOS。電容值大的充電和放電時(shí)間都比較大，電壓衰減得也比較慢，因而適合較低頻率的PWM；電容值小的充電放電時(shí)間比較短，適合于較高頻率的PWM。雖然IR給出過(guò)一個(gè)BOOTSTRAP電容的計(jì)算公式，但本人更傾向于通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找合適的電容值。這樣做既避免了繁雜的計(jì)算，又可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)了解它的工作原理，而且還可以適應(yīng)板載電容。 &

6、#160;  通過(guò)實(shí)驗(yàn)，本人確定了1UF的電容值。該電容采用了旦電容，以減少漏電。但如果沒(méi)有旦電容，其他漏電較大的電容影響也并非很大。相對(duì)于高頻的PWM，在如此短的時(shí)間內(nèi)漏電的影響是微乎其微的。但從理論上來(lái)說(shuō)，BOOTSTRAP電容漏電會(huì)導(dǎo)致高端MOS的導(dǎo)通電阻變大。    總結(jié)了以上經(jīng)驗(yàn)，本人又制作了一塊雙電機(jī)的MOS驅(qū)動(dòng)電路。電路沒(méi)有太大的改變，只是把續(xù)流二極管改為原圖所說(shuō)的4148，把阻容換成了貼片封裝，并且采用了1UF旦電容作為BOOTSTRAP電容。點(diǎn)擊此處下載熱轉(zhuǎn)印用PCB文檔（DXP）   

7、 該電路制作好后成功地驅(qū)動(dòng)了我的機(jī)器人小車(chē)。小車(chē)在全速啟動(dòng)以及突然反向運(yùn)動(dòng)時(shí)的性能明顯比使用298要好。主要原因?yàn)橥蝗蛔兿虻碾娏骱艽?，?98的驅(qū)動(dòng)能力有限，導(dǎo)致變向的電流較小，加速度較小。    實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)該電路有什么問(wèn)題，于是電路基本定型，轉(zhuǎn)向于研究設(shè)計(jì)印刷電路板。由于TO-220封裝的MOS管直立很占空間，而且還需要散熱器，于是本人決定采用貼片的D2PAK封裝的IRF540，其他元件也都改為貼片封狀。另外為了散熱，本人還在芯片的上面設(shè)計(jì)了散熱器和風(fēng)扇。降低MOS溫度可以大大提高工作效率。    

8、一周后我拿到了印刷電路板，同時(shí)我也去購(gòu)買(mǎi)貼片元件。IRF540S（S是貼片，N是TO-220）并沒(méi)有買(mǎi)到正品，而是買(mǎi)到了打磨后重新刻字的拆機(jī)件，其他元件都買(mǎi)到了正品?；丶液附雍煤?，電路工作正常，綠的散熱器很漂亮。點(diǎn)擊此處下載PCB以及SCH    雖然該電路工作正常，但總感覺(jué)拆機(jī)的MOS管發(fā)熱很大。于是我決定將TO220的正品540改為D2PAK封裝，以做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。首先，用鑿子將BACK鑿到合適的位置剪去一個(gè)腳用老虎鉗彎到合適的位置再剪到合適的長(zhǎng)短改裝好的540與D2PAK封裝的7805對(duì)比     &#

9、160; 我將這些改裝好的正品540焊接到了電路上，而且沒(méi)有安裝散熱器。由于急于想看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在使用完焊錫膏后我沒(méi)有洗板就上電了，結(jié)果2104突然冒火，被燒成兩半。我急忙斷電，但為時(shí)已晚。更換2104后，電路仍不能正常工作。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題出在74HC00上。更換74HC00并洗板后，電路工作正常。我突然意識(shí)到74HC00的剩余引腳沒(méi)有接地，而焊錫膏則可能導(dǎo)致漏電。因而我將這次事故的主要原因歸結(jié)為：CMOS剩余引腳沒(méi)有接地，而焊錫膏漏電導(dǎo)致慘劇發(fā)生。    電路修理好后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)同一馬達(dá)，我發(fā)現(xiàn)正品540沒(méi)有任何感覺(jué)得到的升溫，而拆機(jī)540

10、則明顯升溫。我斷定，拆機(jī)540并非540，而是其他電流較小的MOS打磨后冒充540。    我來(lái)到科技京城，到處尋找IRF540S，但所有的商家都告訴我，只有假的，真的沒(méi)有。而其他的貼片MOS，電流都比較小。因此我意識(shí)到只能采用手工加工540N的辦法來(lái)獲得540S。真是無(wú)奈啊。    回家后我開(kāi)始實(shí)驗(yàn)較大電流的驅(qū)動(dòng)，我將驅(qū)動(dòng)電壓和2104工作電壓設(shè)為同路的12V，由一個(gè)2A的穩(wěn)壓電源供電，并且將限流開(kāi)到最大。驅(qū)動(dòng)信號(hào)為97%高電平的PWM，每隔1秒反轉(zhuǎn)馬達(dá)。當(dāng)馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)，意想不到的事情發(fā)生了：馬達(dá)停了下來(lái)，電流卻被

11、限制在了2A！此時(shí)板上的元件一定開(kāi)始發(fā)熱了！我迅速地將電源關(guān)閉。摸了下2104，滾燙！不過(guò)還好沒(méi)有燒毀。重新上電驅(qū)動(dòng)小馬達(dá)一切正常。但一反轉(zhuǎn)大馬達(dá)，同樣的事情再次發(fā)生。經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，我將該問(wèn)題歸結(jié)于電源的限流。由于馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)電流巨大，拉低了電壓，使2104工作電壓低于了正常范圍（10V-20V），最低甚至到達(dá)了3V，而此時(shí)外圍電路卻在繼續(xù)工作，2104極有可能發(fā)生錯(cuò)亂而導(dǎo)致發(fā)熱。因此本人建議：2104的VCC最好能單獨(dú)供電，千萬(wàn)不能因?yàn)轳R達(dá)而拉低電壓，否則后果很可能是毀滅性的！    解決了該問(wèn)題后，我想到電路的設(shè)計(jì)電流過(guò)小，50MIL的線頂多只能通過(guò)5A的電流，而540卻能驅(qū)動(dòng)30個(gè)安培，該電路對(duì)它的驅(qū)動(dòng)能力造成了極大的浪費(fèi)，因此決定重新設(shè)計(jì)。    在重新設(shè)計(jì)的電路板上，我沒(méi)有改變?nèi)魏蔚碾娐?，而是把心思放在了走線以及散熱上。我在每個(gè)MOS的正面和反面都采用了長(zhǎng)方形的敷銅充當(dāng)散熱片，并且在MOS安裝的地方用數(shù)量眾多的過(guò)孔將兩片敷銅連接起來(lái)，使正面的熱量能夠迅速傳遞到反面進(jìn)行散熱。另外在大電流的網(wǎng)絡(luò)中，我還運(yùn)用了SOLDER層去除阻焊層，使之能夠鍍錫以提供更大的電流。    昨天我拿到了PCB板，迫不及待地進(jìn)行了焊接，洗板以及上電實(shí)驗(yàn)，一切順利。電路自身的