張玉亮 張靜雨 安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院

引言

MOS管H橋驅(qū)動(dòng)電路，指一路電機(jī)的左右連接四個(gè)MOS管組成橋臂的電路，其內(nèi)阻較小能夠提供競(jìng)速需要的大電流，配合使用的光耦隔離芯片能夠在物理上隔斷單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)之間的電壓和電路反饋，有效保護(hù)單片機(jī)，濾波大電容能夠使電路更加穩(wěn)定。因此，該驅(qū)動(dòng)電路在智能車(chē)競(jìng)賽中受到廣泛應(yīng)用。

1 MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管簡(jiǎn)稱(chēng)MOS管，分為PMOS和NMOS兩種結(jié)構(gòu)，PMOS指的是以N型雜質(zhì)半導(dǎo)體為襯底，P型雜質(zhì)做溝道，靠空穴的流動(dòng)運(yùn)送電流的MOS管；而NMOS指的是以P型雜質(zhì)半導(dǎo)體襯底，N型雜質(zhì)做溝道，靠自由電子的移動(dòng)產(chǎn)生電流的MOS管。

1.1 MOS管基本結(jié)構(gòu)

NMOS管的具體工藝是，在晶體管底層注入低摻雜濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體P-，該層稱(chēng)為襯底，在襯底上注入兩個(gè)高摻雜濃度的N+，在此基礎(chǔ)上形成兩個(gè)有源區(qū)，從有源區(qū)引出兩個(gè)金屬電極，源極（Source）和漏極（Drain）。在兩個(gè)有源區(qū)之間的襯底上有一層薄的二氧化硅絕緣層，稱(chēng)為氧化層，將襯底與多晶硅分隔開(kāi)。多晶硅的濃度越高，導(dǎo)電性能越好，在此引出柵極（Gate）。在三個(gè)金屬電極上施加電壓，氧化層下方的襯底將產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，通過(guò)改變施加在電極上的電壓，改變感應(yīng)電場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)改變MOS管的工作狀態(tài)。PMOS管需要在低摻雜濃度的P^-襯底上注入高摻雜濃度的N雜質(zhì)半導(dǎo)體形成N阱，在N阱注入高摻雜濃度P^+，引出源極和漏極。

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

方案一：上下橋臂均用N溝道功率MOS管

四個(gè)橋臂上為四個(gè)NMOS管，橋上是與直流電機(jī)相連的電機(jī)接口。驅(qū)動(dòng)原理是NMOS在柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)截至，當(dāng)MOS 管Q2和Q5導(dǎo)通時(shí)，電流就從Q2流經(jīng)電機(jī)到達(dá)Q5流至負(fù)極，從而使電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)小車(chē)前進(jìn)；當(dāng)Q3和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流從Q3流經(jīng)電機(jī)到達(dá)Q5流至負(fù)極，從而使電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)小車(chē)后退。

在該電路中，MOS管Q4和Q5的源極接地，柵極電位為低電平時(shí)截至，達(dá)到5~10V時(shí)導(dǎo)通，Q2和Q3的柵極電位需要高于電源電壓才能使MOS管完全導(dǎo)通，同時(shí)當(dāng)橋臂上四個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，就會(huì)燒壞電路，所以在具體使用中需要能夠提供較大柵極電壓以及防止四個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通的芯片。由此選用兩片專(zhuān)門(mén)驅(qū)動(dòng)MOS管地半橋集成芯片IR2104，構(gòu)成全橋驅(qū)動(dòng)，該芯片柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍從10~20V，使用時(shí)需要特定的升壓電路供電使其正常工作，同時(shí)較大的柵極電壓也提供了較大的柵極驅(qū)動(dòng)電流，使MOS管更好地工作。IR2104芯片也可以用分立元件替代，使用NPN和PNP兩種三極管并聯(lián)取代，兩種三極管的主要區(qū)別是管壓降和電流流向不同，以此利用晶體管工作時(shí)處于飽和或截至狀態(tài)的特性，來(lái)防止MOS管的同臂導(dǎo)通。

方案二：四路橋臂分別用2個(gè)P溝道功率MOS管和2個(gè)N溝道功率MOS管

橋臂上方為兩個(gè)PMOS管，下方為兩個(gè)NMOS管，它的驅(qū)動(dòng)原理與方案一中的設(shè)計(jì)相似，PMOS在柵極高電平時(shí)截至，為低電平時(shí)導(dǎo)通，MOS管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，Q2和Q3導(dǎo)通電機(jī)反轉(zhuǎn)。PMOS在低電平時(shí)導(dǎo)通，一般柵極電位低于5V，由于此種特性，電路不會(huì)出現(xiàn)同臂導(dǎo)通的現(xiàn)象，電路上端的0.1uF和470uF電容可以對(duì)電路進(jìn)行高頻、低頻濾波處理和去耦，來(lái)防止電源電壓波動(dòng)或者工作電流變化影響其工作穩(wěn)定性。剎車(chē)時(shí)，電機(jī)過(guò)快的正反轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生很大的倒灌電流，對(duì)電路芯片產(chǎn)生很大的損害，采用MIC4424芯片，能夠?qū)纹瑱C(jī)和驅(qū)動(dòng)電路起到隔離和保護(hù)的作用。

1.3 電路仿真與比較分析

由于驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓與所給的占空比有關(guān)，而占空比是由速度控制算法具體計(jì)算得出，電源電壓乘占空比等于輸出電壓，兩路驅(qū)動(dòng)電路形成電壓差則可驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在用Multisim軟件仿真的過(guò)程中，我們采用分立元件替代了IR2104芯片。在該電路中，對(duì)橋臂上四個(gè)NOMS管采接上示波器觀察其波形，在每個(gè)周期內(nèi)始終有兩路保持高電平，指的是其在每個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)MOS導(dǎo)通，不會(huì)出現(xiàn)四個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通的情況。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中也是如此，該電路能夠保證有穩(wěn)定的輸出，其輸出功率可以和比賽中需要達(dá)到的速度匹配，MOS管驅(qū)動(dòng)IC芯片的順時(shí)電路可以達(dá)到很大，電路達(dá)到一定頻率可以減小MOS管狀態(tài)改變的時(shí)間，減小損耗和發(fā)熱。但該電路組成比較復(fù)雜，電路板集成元器件較多，配合IR2104芯片使用的12V升壓電路尤為重要，升壓電路設(shè)計(jì)的合理與否直接決定了兩路驅(qū)動(dòng)電路能否正常工作。

圖1 橋臂MOS管導(dǎo)通情況

在方案二仿真時(shí)我們同樣采用了分立元件取代了MIC4424芯片，由于電路本身的性能不會(huì)出現(xiàn)四個(gè)MOS管共同導(dǎo)通的情況，相比較于四個(gè)NMOS驅(qū)動(dòng)的電路，PMOS管的性能直接決定了電機(jī)電壓的輸出，其輸出的波形較小，PMOS適合應(yīng)用在低速和低頻領(lǐng)域，因?yàn)镻MOS管的特性是柵極和源極間的電壓Vgs的值小于一定值時(shí)MOS管導(dǎo)通，而Vgs越大，柵極電流就越大，所以流經(jīng)MOS管的電流大小被其性能所限制，搭建的H橋的驅(qū)動(dòng)性能也完全被PMOS管限制，應(yīng)用于智能車(chē)驅(qū)動(dòng)的車(chē)速控制也被限制。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)性能不如方案一的驅(qū)動(dòng)性能好，同時(shí)這種MOS管聯(lián)用的驅(qū)動(dòng)電路，更多的是做成集成芯片BTN、BTS系列，其內(nèi)部集成高邊PMOS和低邊NMOS以及其他保護(hù)電路。

2 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合恩智浦智能車(chē)競(jìng)賽，在介紹NMOS管和PMOS管的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了兩種驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)原理，通過(guò)Multisim軟件對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)電路仿真，比較兩種電路的驅(qū)動(dòng)效果，進(jìn)一步總結(jié)了上下橋臂位NMOS管驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)勢(shì)。并在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了方案一驅(qū)動(dòng)電路在快速地加速、減速上的優(yōu)越性能。