经典分立元件H桥驱动（稳定、低成本，可代替IR21XX集成IC驱动）

vivalite · 发表于 2008-5-25 11:31:56

电路图（小）：

(原文件名:H-Driver_Passive_s.png)

测试结果：

(原文件名:H-Driver_Passive_P.gif)

电路图（大）：

(原文件名:H-Driver_Passive.png)

仿真下载：（Multisim10格式）
点击此处下载 ourdev_292433.zip(文件大小:1024K) (原文件名:H-Driver_Passive.zip)

本电路是在48V直流电机驱动上使用非常普遍的分立元件MOS管驱动电路，适用频率可达30kHz左右，稳定可靠，在成本局限的产品上可代替IR21XX驱动IC。这个电路已经经历了多年的商业化检验，保证你按照电路里的参数制作就可正常工作。

制作时要注意以下几点：
1）如果你的电机工作电压低于等于12V可能需要调整上桥臂晶体管的工作状态。
2）自举电容C5 C6要使用低漏电的。
3）D5 D6如成本允许应使用快恢复型二极管如FR157。
4）主滤波电容C11 C12必须是高频低阻电容，否则纹波容易引起发烫。
5）C9 C10耐压应是电源的至少一倍。
6）注意布线！！！尤其是高频部分（参考IR的一系列布线文档）
7）由于使用了自举电路，启动时必须先开下桥再开上桥（PWM只能在下桥上加，上桥只加开关信号）；而且PWM不能大于95%，否则重载启动、短路测试时烧你没商量（这点连IR21XX也是一样）。

luxinsun · 发表于 2008-5-25 11:51:12

记号。
“频率可达30kHz”应该不错了。

vivalite · 发表于 2008-5-25 12:22:36

其实频率还可以再高。电路制版实测MOS驱动的上升下降速度可达到400ns/300ns级（IR2103是680ns/150ns），不加死区的话理论频率可达1.25MHz。但实际应用、尤其是驱动大电流电机时15kHz已足够，频率再高主滤波电容很容易因为高频纹波发烫爆炸，即使主滤波电容可以承受，高频驱动时（>40kHz）电流也是惊人_大的，2N5401要换成中功率晶体管如2SA1275等才行。

hittiger · 发表于 2008-5-25 15:21:00

不错，正要用。

jamiedu · 发表于 2008-5-26 15:22:30

不错，记号。。

zx5111030 · 发表于 2008-5-26 17:48:22

mark

shabby · 发表于 2008-5-26 19:41:44

好东西，收藏再学习，谢谢!

wangguanfu · 发表于 2008-5-26 20:23:27

好东西mark

taishandadi · 发表于 2008-5-26 21:02:27

mark一下。

szxszx · 发表于 2008-5-26 22:26:15

支持！
C1、C4的存在是否会造成上升时间加大？他的作用是什么？

vivalite · 发表于 2008-5-27 07:51:10

C1 C4是防止开通速度过快用的：
1）如果开通速度高于MOS体二极管反向恢复的时间加在MOS上的电流就是二极管恢复的反向电流+电机电流，要尽量避免这种情况出现。
2）电容还可起到消除干扰的作用，防止干扰等造成的误导通。

mtheory · 发表于 2008-5-27 07:57:50

顶一下

classv · 发表于 2008-5-27 09:05:58

太帅了

mahui625 · 发表于 2008-5-27 10:32:58

走线的文档IR的在哪里，搜什么关键字。

vivalite · 发表于 2008-5-27 12:09:55

参考AN-978

tangfree · 发表于 2008-5-27 12:51:55

很强，学习下。

mahui625 · 发表于 2008-5-27 15:06:32

vivalite 能不能让一个上桥臂一直导通，另一边的下桥臂用pwm来驱动，这样操作能不能保证自举电路正常工作。我下载仿真了，加了一个电流检测电阻。

mahui625 · 发表于 2008-5-27 15:24:57

电流波形，蓝色是流过马达的电流。其它是马达两端的电压波形。可以看到马达启动瞬间电流很大。基本可以假定这个启动电流就是堵转电流。不知道能不能这样考虑。

(原文件名:电流.JPG)

vivalite · 发表于 2008-5-27 16:08:03

【16楼】 mahui625
vivalite 能不能让一个上桥臂一直导通，另一边的下桥臂用pwm来驱动，这样操作能不能保证自举电路正常工作。我下载仿真了，加了一个电流检测电阻。
-----------------------
这个电路里上桥需要一直导通下桥PWM就不应该低于95%，否则上桥开启电压会过低的。
想让下桥PWM达到100%请参考主动升压电路：
http://www.ouravr.com/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=1120867&bbs_page_no=1&search_mode=3&bbs_id=9999

mahui625 · 发表于 2008-5-27 17:09:42

不是，是一种驱动方法。pwm不要求到100%。按照你的电路来说，比如马达正转。只是一边的一个上管Q1一直导通。另一边对应的一个管子Q10给pwm，这样做驱动。保证电流方向不变。看你的仿真文件，马达电流方向不是一直不变的。

vivalite · 发表于 2008-5-27 20:04:48

【19楼】 mahui625
不是，是一种驱动方法。pwm不要求到100%。按照你的电路来说，比如马达正转。只是一边的一个上管Q1一直导通。另一边对应的一个管子Q10给pwm，这样做驱动。保证电流方向不变。看你的仿真文件，马达电流方向不是一直不变的。
---------------------
哦，你没改信号发生源。

我做测试时让电机左右来回转。我在信号发生源（XWG1）里设置了先开Q4 Q7，然后全关，再开Q1 Q10，全关，再开Q4 Q7....如此循环。

如果你想让电机向一个方向转可以双击XWG1，把前4行（2进制）改为：
1111
0110
0110
0110

这样先全关，然后开Q1 Q10三个时间单位，然后再全关（充电）....循环。当然这只是75%PWM的仿真，想要提高百分比可以增加Q1 Q10时间单位的数量。有兴趣的话还可以编一个51/PIC的程序来仿真。

（右数第1位是D1H[Q1]、右数第2位是D1L[Q7]、右数第3位是D2H[Q4]、右数第4位是D2L[Q10]）

mahui625 · 发表于 2008-5-28 09:13:58

不错。马达控制就三个状态正转反转刹车。改变pwm的占空比就改变速度。想搭个板子试试这个电路。驱动估计要加互锁的门电路。这个驱动管子应该是pwm脉冲低电平时间越长导通时间也就越长。你这个操作方法是不保证一个管子一直导通。

mahui625 · 发表于 2008-5-28 10:20:20

最新修改仿真的成果。双击XWG1，把前4行（2进制）改为：
1001
1001
1001
1101
黄色曲线是流过马达电流的波形，其他两个颜色的曲线是马达两端的电压波形。

(原文件名:电流.JPG)

mahui625 · 发表于 2008-5-28 11:09:06

2）自举电容C5 C6要使用低漏电的。用钽电容，耐压看20v够用不？？？
3）D5 D6如成本允许应使用快恢复型二极管如FR157。公司有开关电源用的1N5819可以代替不？？？
4）主滤波电容C11 C12必须是高频低阻电容，否则纹波容易引起发烫。这个不知道哪家的好点，电解电容。
5）C9 C10耐压应是电源的至少一倍。这个估计要插件的电容。
6）注意布线！！！尤其是高频部分（参考IR的一系列布线文档）具体是那些零件的摆放要注意点？？？
图中的电阻，小容量的电容用0603的应该可以了吧。那个稳压在15v的二极管用多少w的比较合适。

vivalite · 发表于 2008-5-28 15:15:13

2- C5 C6耐压最好在电源电压以上，不过我觉得用那么高级的钽电容真没什么必要，一般非高频低阻的铝电解就行了。
3- 1N5819反向耐压40V，不知道你的电机电源多少V，这个管子耐压最好大于（电源V+12V）*1.5。要求不高的话用M7（1N4007），一般没问题的。
4- 主滤波电容国内的我觉得益阳资江综合性能好，但他们公司比较牛，没个几十K给钱都不理你。东联胜的电容也还行，他们也要量，否则卖你样品好几块钱一个。另外日本红宝石的电容假货不错（广东生产）正品参数就不灵了。（小日本卖给中国的都是处理品--这是他们的中国市场代表的原话）。
5- 有1206封装的100nf/100V，价钱贵，不如用插件的。
6- 电容电阻我都用0805的，尤其和MOS管接近的走的都是大电流。15V稳压管只是起个保护作用，平常没电流，1/4W就行。

mahui625 · 发表于 2008-5-28 15:33:21

公司的插件电容没多少，都是钽电容，0603的电阻电容。电机用24v的。要两个电瓶来供电。三极管就2N3904,2N3906。看来还要几个大功率的管子推动mosfet。

caplsc · 发表于 2008-5-28 15:48:15

mark，备用

vivalite · 发表于 2008-5-28 15:53:19

钽电容过压放炮可是怕怕。
0603阻容相当接近功率极限了，恐怕容易出问题（尤其是C1 C4 C9 C10 R8 R11）

mahui625 · 发表于 2008-5-28 15:59:04

要实用还要加死区保护，电流检测等很多东西。

vivalite · 发表于 2008-5-28 16:16:46

死区保护在MCU里处理好即可；电流检测我没画，实际上就是MOS管通过一个6毫欧的电阻接地，在电阻上取分压送至比较器和MCU做继续处理。

mahui625 · 发表于 2008-5-28 16:30:02

你的马达保护做了哪些部分的。死区两个管子导通切换延迟多少比较合适。不知道FR157好买不。电阻电容看来只能买插件的了，贴片估计买少量的比较麻烦。

vivalite · 发表于 2008-5-28 16:48:13

我做的有过流保护、相线短路保护，死区1.5us左右，FR157不难买。

mahui625 · 发表于 2008-5-28 19:44:04

过流保护用的是比较器？？？要保证可靠性还是比较麻烦的。

vivalite · 发表于 2008-5-29 03:59:30

过流保护用芯片内的比较器，调起来是比较麻烦，我烧了不少MOS才调稳定的。

mahui625 · 发表于 2008-5-29 09:14:11

看来电源哪里加保险丝是必要的。一般什么原因烧的mosfet。

my2jia · 发表于 2008-5-29 09:29:10

mark

vivalite · 发表于 2008-5-29 10:02:18

烧MOS原因无非过压或过流，但引起过压/过流的原因太多了，错误的开关信号、干扰、电容失效都有可能烧管子
还有1000uF的电容是为48V电机设计的，24V电流大一倍可能需要2000uF才够

mahui625 · 发表于 2008-5-29 10:44:54

看来要加大容量存更多的电荷。1/4w的稳压二极管封装是DO-多少来的。

vivalite · 发表于 2008-5-29 11:00:29

1/4W的不好买，不如买1/2W的。
1N4744 DO-35 （1/2W, 1W）

mahui625 · 发表于 2008-5-29 11:08:57

15v稳压管看来DO-35的就行。D5,D6用DO-41的。

vivalite · 发表于 2008-5-29 11:27:56

你说的对

mahui625 · 发表于 2008-5-29 11:39:24

都用do-35的好了，怎么样。过流保护哪里我用的adc来采样，估计保护的速度比是很快。

vivalite · 发表于 2008-5-29 11:53:00

过流保护最好分两路，一路是比较器用来快速检测大的dv/dt，一路是ADC，用于软限流。
MOS管短路时的电流非常大，我做实验时一般短路20几微秒就烧，这已经很接近反应的极限了。

mahui625 · 发表于 2008-5-29 12:30:32

看来用比较器速度快点。马达堵转的时间电流会比较大。在就是启动的时间。你启动哪里有做限流不。怎么能让马达发挥出最大的功率。我的马达250瓦，24v的。

vivalite · 发表于 2008-5-29 12:58:47

启动也要做限流的，否则MOS烧了马达就没功率输出了

mahui625 · 发表于 2008-5-29 14:34:32

限流做多少比较合适。还有堵转的保护，现在不是很清楚。

mahui625 · 发表于 2008-5-29 14:38:18

整理了一下bom，vivalite 帮忙看一下。

(原文件名:bom.jpg)

vivalite · 发表于 2008-5-29 14:50:30

基本没什么问题，只是你用的Mos是IRF2807，我觉得不如改用STP75NF75，所有的关键指标都比2807强，而且也是75V 80A_级别的。D2PAK的也能买到，价格应该和2807差不多。

mahui625 · 发表于 2008-5-29 15:02:33

那就行，价钱在3元这个2807。

mahui625 · 发表于 2008-5-29 15:09:12

要多准备点管子，烧烧。

mahui625 · 发表于 2008-5-29 16:40:43

vivalite 有把马达卡住测试堵转吗。估计要搞电流钳，最好是示波器的电流模块，那样搞马达驱动比较好。

vivalite · 发表于 2008-5-29 17:28:54

有，连直接用螺丝刀短路相线的测法都有。测试这方面没国家规定，但测全一点自己对产品质量放心。
电流钳精度差一些，要真烧的话几十微秒就够了，电流钳可能采样还没完成呢。最好还是用那个对地检流的电路，用示波器看分压然后换算电流。

mahui625 · 发表于 2008-5-29 18:02:59

点击此处下载 ourdev_296534.pdf(文件大小:470K) (原文件名:zhidao.pdf)

vivalite · 发表于 2008-5-30 04:01:21

对这是一家企业用的工业化检测法。对于实验室研发阶段，我们一般会在实验室里把最苛刻的条件都测试通，这个电路才算稳定；在大批量出产品时因为用料成本和工艺的原因即使不能达到实验室的标准也不会和原先差很多。

mahui625 · 发表于 2008-5-30 12:35:09

你们都做哪些具体的测试了。搞一个稳定点的驱动玩玩。

vivalite · 发表于 2008-5-30 14:53:57

这个驱动就是稳定驱动了，目前电动车控制器里用的基本上都是这个电路。

我们实验室测的有堵转启动、堵死启动、运行时短路相线、启动时短路相线。
工业化生产时一般只抽检不做全检。

mahui625 · 发表于 2008-5-30 17:54:59

我就做个有刷直流马达。检测应该少点内容。这个星期天去看看元件。

zlei · 发表于 2008-5-30 21:04:24

不错，记号。。

mahui625 · 发表于 2008-5-30 23:22:40

vivalite 这个电路的12v，5v都需要多大的电流。在就是四个控制端子你是不是直接用单片机来驱动，没有外加一些门电路做互锁。

vivalite · 发表于 2008-5-31 06:22:50

我是都用单片机驱动的，一般情况下单片机出错的几率很小（除非程序写错），没有互锁的必要。
12V电流不会很大，一般不会过150mA，5V电流就更小了。

mahui625 · 发表于 2008-5-31 09:07:13

好的。那就用78M系列的。看来来回问答几次帖子就变酷了。CBB电容怎么样。这些nf级别的电容用这个。

mahui625 · 发表于 2008-5-31 11:02:32

找到红宝石的电容规格书，低漏电的。高频低阻抗就没看到型号。
点击此处下载 ourdev_297834.pdf(文件大小:66K) (原文件名:e_YK.pdf)

vivalite · 发表于 2008-5-31 11:31:29

CBB很好啊，高频性能好，漏电也小。
红宝石YXF是高频低阻的，不过正品的性能我测过了，还不如仿冒的红宝石强。

mahui625 · 发表于 2008-5-31 12:03:49

那小容量的就用CBB无感的。

mahui625 · 发表于 2008-5-31 17:44:40

CBB电容不同的颜色有什么不同，是温度系数？？？

pcwinner · 发表于 2008-5-31 17:58:42

记号

vivalite · 发表于 2008-5-31 18:14:50

各厂的电容颜色意义不同，温度系数最好和厂家确认

mahui625 · 发表于 2008-5-31 22:07:23

那估计有点麻烦,只是去电子市场买，那些搞音像发烧的常去那里的。一个CBB要5毛。高频电容红宝石估计不便宜。

vivalite · 发表于 2008-6-1 05:10:35

CBB是不便宜，一般我们做小容量也只用瓷片电容或独石电容。高频低阻铝电解电容都不是很便宜，有量从厂家进的话1000u也要8毛一个，零售可能会涨好几倍，质量还不一定保证

mahui625 · 发表于 2008-6-1 15:34:13

我只能是买几个自己玩玩。

mahui625 · 发表于 2008-6-1 20:43:12

vivalite 有没有什么例子代码放一个出来。

vivalite · 发表于 2008-6-2 02:18:14

抱歉例子代码我没有，但程序流程很简单，大致说一下：

1.上电初始化，H桥四个输入端均为高电平。

【启动电机】
1.获得启动电机命令后先打开下桥2，输出80%占空比的PWM（因为本H桥驱动是低电平开启，80%PWM实际为100%-80%=20%）
2.四到八个PWM周期延迟后打开上桥1（延迟不必控制得很严格）
3.如设定转速应高于20%占空比PWM的转速，在半秒内逐渐增加下桥2PWM至设定的PWM（如设定电机应全速运转，则由最初80%占空比PWM逐渐降低至5%）
注：反转则为开上桥1-下桥2，过程相同不再复述。运行时如需立即反转需停机再反转。

【停止电机】
1.在半秒内将下桥2 PWM逐渐增加至100%占空比（实际PWM占空比=100%-100%=0%）
2.延迟四到八个PWM周期关闭上桥1（延迟不必控制得很严格）

【短路保护-比较器】
超过最大电流（电机额定电流的5倍）触发比较器中断，立刻关闭所有MOS管（全为高电位）

【过流保护-AD采样限流】
每个PWM周期时做电流AD采样，如电流超过一定限流值（如电机额定电流的2倍）则降低一点PWM，保证电流不超过一定值

注：PWM频率=15.625kHz固定

mtheory · 发表于 2008-6-2 06:54:31

好啊，留个记号！

mahui625 · 发表于 2008-6-2 09:24:25

好的，有流程就好搞了。太感谢了。这个桥1桥2是指电路图中那一对管子。开始启动时是不是让下桥的两个管子Q7,Q10都给PWM，好让C5,C6都充满电荷。

vivalite · 发表于 2008-6-2 10:15:34

我的电路在总线上（粗黑线）标了1H、1L、2H、2L。1代表1桥，2代表2桥，H代表高端（上桥）、L代表低端（下桥）。

其实充电效率最高的应该是同侧下桥开一下然后关掉，再开上桥，但这样会有上下死区的问题要处理，所以我改成对侧下桥先开几个周期再打开本侧上桥，这样充电效率低一些但比较安全。

our_avr · 发表于 2008-6-2 10:37:47

个人感觉没有必要，因为现在必定是走集成话的路线

vivalite · 发表于 2008-6-2 11:10:43

一个成本3块钱，另一个才1块钱不到，如果是你当老板的话就知道要选哪个了。
现在的电动车控制器拆开来看有哪一个是用集成驱动的？几乎没有。

mahui625 · 发表于 2008-6-2 12:42:28

不是搞消费电子不知道成本问题。现在一毛钱都要省。都是拼成本的。

mahui625 · 发表于 2008-6-3 09:44:54

vivalite 你的这个每个PWM周期时做电流AD采样那采样计算是平均值吧。

vivalite · 发表于 2008-6-3 12:44:31

AD采样换算成电流有效值。
公式：电流有效值≈电流即时值*PWM占空比

mahui625 · 发表于 2008-6-3 12:58:21

有多次采样然后做数字滤波什么的吗这个。

vivalite · 发表于 2008-6-3 13:27:34

这个PWM每周期采一次就行了，最好别滤波，或直接用卡尔曼滤波

mahui625 · 发表于 2008-6-3 13:34:18

一个pwm周期采样一次电流，不用重复采样好的。

hiberhe · 发表于 2008-6-3 17:21:39

不错，好久没用multisim了

wanyou132 · 发表于 2008-6-3 17:30:55

jihao

xingzhang · 发表于 2008-6-3 18:16:31

顶一下

mahui625 · 发表于 2008-6-3 21:16:58

卡尔曼滤波，比较有挑战性。

vivalite · 发表于 2008-6-4 09:00:19

卡尔曼滤波需要高性能MCU的，要不速度跟不上

mahui625 · 发表于 2008-6-4 09:54:55

在上桥关闭后对应下桥要导通续流，通过mosfet的二极管续流好像功耗比较大。看了你的那个电路详细分析。

vivalite · 发表于 2008-6-4 10:51:01

实验时小功率应用（P<=400W）不续流发热功耗也不大，个人认为可以用增加散热片面积的简易办法来解决。

mahui625 · 发表于 2008-6-4 13:02:55

看效果发热小好点。

micropower · 发表于 2008-6-11 00:09:25

好东西！

hxke · 发表于 2008-6-11 09:18:24

记下

cndongj · 发表于 2008-6-11 10:38:36

好东西，谢谢。

rifjft · 发表于 2008-6-16 17:06:42

怎么一个电路图都看不到的？

rifjft · 发表于 2008-6-16 20:25:03

装IE7.0就可以看了，嘻嘻

draapho · 发表于 2008-6-17 09:22:48

sign

szxszx · 发表于 2008-6-20 11:11:52

用楼主的下桥搭了测试电路，驱动50N06，下降沿很陡，上升沿不是很陡，有4uS左右的延迟，使MOS的开通损耗增大。
专用的下桥驱动也很多，隔离的有：TLP250,TLP251,HCPL3020等，非隔离的有：TC4427(双通道),TC1410,TPS2816系列等，不知大家常用哪种？交流一下，便于采购。
上传一个microchip的资料，供参考，好像之前哪位上传过：
mosfet驱动器与mosfet匹配设计.pdfourdev_319002.pdf(文件大小:353K) (原文件名:mosfet驱动器与mosfet匹配设计.pdf)

vivalite · 发表于 2008-6-20 12:07:12

【100楼】 szxszx :
用楼主的下桥搭了测试电路，驱动50N06，下降沿很陡，上升沿不是很陡，有4uS左右的延迟，使MOS的开通损耗增大。
专用的下桥驱动也很多，隔离的有：TLP250,TLP251,HCPL3020等，非隔离的有：TC4427(双通道),TC1410,TPS2816系列等，不知大家常用哪种？交流一下，便于采购。
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用50N06，看来你做的成品属于紧凑型的，MOS焊在板上用电路板散热，对损耗的要求严一点。

我这个电路原本是对高功率电机设计的，控制器有足够的散热面积，是我故意降低开通速度的，这样做的好处是能大幅提高抗干扰和抗过流能力。（实际上15kHz的开关速度，8A的持续电流下散热器只比室温高5度左右）

如果你想尽量减小MOS开通损耗，让上升和下降沿一样抖，你可以去掉C1 C2 C3 C4这四个电容，保证这样开通速度有几何性的提高。如果还不嫌快，你还能减小或去掉R2 R8 R5 R11这4个限流电阻。

如果你驱动的是感性负载的话还是建议你保留C1 C2 C3 C4这四个电容（可以改小到1nF）。Microchip的文章只涉及了驱动电路和MOS管的匹配设计问题，并没有涉及MOS管驱动什么样负载带来的问题（比如负冲造成的上桥提前开启、耦合进来的干扰如何处理等等），而MOS管驱动的负载又直接决定了驱动的设计，这些是一环扣一环的。

rifjft · 发表于 2008-6-23 22:19:11

楼主对这方面很熟悉呀。有没有相关方面的书可以推介来学习一下的

经典分立元件H桥驱动（稳定、低成本，可代替IR21XX集成IC驱动）

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