基于HIP4081的厚膜H桥电机驱动电路设计解析

随着电子微技术的发展，电机控制、电气传动形成了一门多学科交叉的“运动控制”技术。运动控制系统能使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。H桥驱动电路能与主处理器、电机等构成一个完整的运动控制系统，可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的运动控制。
　　1 电机运动控制及其驱动电路
　　在电机的运动控制中，最常见的是电机的双向转动和调速，流经电机绕组的电流大小和方向要受控。




　　图1，图2是由4个N沟道MOs管(M1～M4)和一个电机(M)组成的H桥。在图1中，当M1和M4导通时，电流从电源正极经M1从左至右穿过电机，然后再经M4回到电源负极，电机沿顺时针转动。在图2中，当M3和M2导通时，电流从右至左流过电机，电机沿逆时针转动。因此，通过调整MOS管的导通与截止时序可以控制电机的转向，通过调整流经电机电流的大小可以控制电机的转速。
　　在此介绍一款基于HIP4081设计的厚膜H桥电机驱动电路，用于某炮瞄系统。电路内部集成了CMOS控制电路和由MOS管组成的H桥，它能为负载提供5 A的连续电流。该电路能在60 V的供电电源范围内安全工作，用户只需提供与TTL电平兼容的PWM信号就可进行4象限模式的幅值和方向同时控制，而且与数字控制器的接口非常简单。其内部电路可提供适当的死区时间间隔以保护H桥的4个N沟道场效应管，效率可达97％。提供有与TTL兼容的使能管脚来关断4个场效应管。
　　2 HIP4081内部结构及技术特点
　　HIP4081是intersil公司推出的一款专门用于控制H桥的高频全桥驱动芯片。采用闩锁抗干扰CMOS制造工艺，具有独立的低端和高端输入通道，分别独立驱动4个N沟道MoS管；输出峰值电流为2 A；芯片内部具有电荷泵和死区时间设置；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达95 V，逻辑电源电压范围6～15 V，工作频率高，可达1 MHz；具有能控制所有输入的禁止端，可方便地与外接元件形成保护电路。图3给出HIP4081的引脚排列定义，图4显示了1／2HIP4081(A边)的内部功能框图。主要组成部分有：逻辑输入、使能、电荷泵、电平平移及死区时间设置等。




　　3 HIP4081引脚排列
　　在图4中，Au，AHl分别是A边的低边输入和高边输入；ALO，AHO分别是A边的低边输出和高边输出，DIS是使能输入；在另一半(B边)的内部功能图中，BLI、BHl分别是B边的低边输入和高边输入；BL0，BH0分别是B边的低边输出和高边输出。他们之间的逻辑关系如表1所示。




　　3 电路实现基本原理

        电路原理框如图5所示。




　　在图5中，VCC为内部逻辑电路和MOS管上臂和下臂驱动器的低压电源；Vs为H桥供电电源，MOS管从这个电源端获得输出电流，该脚电压范围为Vcc～+80 V；V01，为半桥的输出脚1，当PwM输入ALI为高，BLI为低时，该脚输出为Vs；Vo2为半桥的输出脚2，当PwM输入ALI为低，BLl为高时，该脚输出为Vs；SENSE为2个半桥下臂的共同联接点，可连接一个到Vs地的检测电阻以检测电流，该脚也可以直接连到Vs的地。GND为输入逻辑和Vcc的地；PWM输人为用于输入与TTL兼容的PwM信号，占空比在O％～100％之间；DIS为用于关断4个MOS管，该脚为1时为关断，为0时使能。
　　3．1 电路工作逻辑时序及电机运动状态分析
　　在图5中，当使能端D1S处于高电平“1”时，无论ALI，BLI是“1”还是“O”，ALO，BLO，AH0，BH0都为“0”，电路处于禁止状态，电机停转。当使能端DIS处于低电平“O”时，ALl和BLI可通过反相器分别同时接收PWM信号的高电平“1”和低电平“0”。当ALl为1，BLI为0时，此时，ALO为1，AHO为0，BLO为O，BHO为1，H桥中的MOS管M1与M4导通，H桥处于图1状态，电机顺时针旋转。当ALI为O，BLI为1时，此时，AL0为0，AHO为1，BLO为1，BHO为O，H桥中的MOS管M3与M2导通，H桥处于图2状态，电机逆时针旋转。当ALI，BLI同时为O时，ALO，BLO都为O，AH0，BHO都为1，电机中没有电流流过，处于制动状态。当ALI，BLI同时为1时，AL0，BLO都为1，AHO，BHO都为O，电机中也没有电流流过，同样处于制动状态。其逻辑关系如表2所示。

3．2 死区时间的考虑
　　在图5中，保证H桥上2个同侧的MOS管(M1和M2，M3和M4)不会同时导通非常重要。如果MOS管M1和M2(或M3和M4)同时导通，那么电流就会从电源Vs正极穿过2个MOS管直接回到负极。此时，电路中除了MOS管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值(该电流仅受电源性能限制)，甚至烧坏MOS管。基于上述原因，在实际驱动电路中要使M1与M2或M3与M4在导通时间上有一个延迟，也称死区时间。
　　HIP4081留有HDEL和LDEL两个端口(见图4)，用户通过外接电阻，可根据实际电路工作情况，自行定制死区时间。死区时间与HDEL／LDEL电阻的关系如图6所示。



3．3 效率的考虑
　　在图5中，决定驱动电路效率的主要是以下3个因素：H1P4081的静态功耗；Vcc电源的动态功耗；MOS管的I2R损耗。
　　由于HIP4081是CMOS器件，第(1)项损耗很小，可忽略不计，第(2)项损耗虽然大一些，但远小于(3)项(尤其是满负荷输出时)。而MOS管的I2R由其导通电阻决定，因此选择合适的M0s管组成H桥电路，可以减少(3)项损耗。该电路选用N沟道HEXFETPower MOSFET IRFPP250N，其导通电阻为O．075 Ω，降低了导通损耗，提高了效率。
　　3．4 产品结构的考虑
　　(1)该产品结构采用厚膜混合集成技术设计，如图7所示，在具有高导热率的AlN陶瓷基板上通过厚膜印烧工艺制作厚膜基板，并通过基板金属化与焊接技术，将ALN基板与金属外壳进行焊接，大大提高了电路的导热能力和功率密度。


　　

       (2)在图7中，产品内部全部有源器件采用裸芯片，通过混合集成电路的二次集成工艺技术，将元器件、ALN厚膜陶瓷基板以及金属外壳组装在一起。形成具有全密封金属外壳、外形尺寸为32 mm×32 mm×7 mm的双列直插式厚膜混合集成产品，大大缩小了体积，减少了产品内部级连和焊点，提高了可靠性。
　　厚膜H桥电机驱动电路经过实际应用表明：该电路不仅安全可靠地实现了电机的双向转动和调速,提高了驱动电路和系统的可靠性，而且产品体积小，导热性能好，效率高，能在恶劣的使用环境下安全工作，适合军、民两用。