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  • 一种简单的MOS管直流电机驱动电路
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    2019-10-17 20:04:07

    在这里插入图片描述
    如图所示,用2个PMOS和4个NMOS可以组成只需要一个控制端的直流电机驱动电路。
    工作原理:
    当Q6输入为低电平时,Q6的GS不导通,Q5的G级为高电平,Q5导通,所以R2左侧为低,Q1导通,Q6的D级为高电平,Q4导通,Q3不导通,Q2不导通,电流从Q1流过Q4,电机正转。
    当Q6输入为高电平时,Q6导通,R5左侧为低电平,Q3导通,Q4不导通,Q5不导通,R2左侧为高电平,Q2导通,Q1不导通,电流从Q3流过Q2,电机反转。
    但是实际应用中,6个MOS占用的空间太大,最终选用了TI的DRV8876.
    DRV8876数据手册

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    与上电路相同

     

     

    单个MOS管控制,与上不同,不使能时,相当于断开,上面:不使能时,两个脚都是高电位

     

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    图示为我应用于实际的空心杯电机驱动电路。 可见,该电路通过MCU的PWM信号控制电机,实现了无刷电机的无极调速。 该电路的基本思想就是通过PWM信号控制MOS管(SI2302)的开与关;改变PWM的占空比,进而改变流过...

    图示为我应用于实际的空心杯电机驱动电路。

    可见,该电路通过MCU的PWM信号控制电机,实现了无刷电机的无极调速。

    该电路的基本思想就是通过PWM信号控制MOS管(SI2302)的开与关;改变PWM的占空比,进而改变流过电机的有效电流,从而控制电机的转速。

    在这里MOS管做开关,读过我之前文章(https://blog.csdn.net/ouguangjin/article/details/75166894)的朋友应该知道,三极管也是可以做开关用的。那么问题来了,为什么在这里使用MOS管而不使用三级管呢?在这里,我做一下简要的解答。这里的MOS管指我们所常见的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET),其导通时只有多数载流子参与电流的形成,因此其导通、截止速度快是选用其作为电机驱动的主要原因之一;再者,其导通电阻小也是一重要原因。

    下面来对该电路进行分析:

    ①PWM信号输入到栅极;高电平时,MOS管导通,电机转动(注意,我这里没加限流电阻,5V的电压足以使空心杯电机达到最大的转速,若有同学想要对该电路进行测试要注意哦!);低电平时,MOS管截止,电机停转。注意,有的地方地方可能会在MCU信号与MOS管的栅极之间加一电阻;个人认为这是不必要的,因为MOS管的栅极和内部参杂半导体是绝缘的,等效于栅极和内部的参杂半导体通过一个阻值非常大的电阻相连,所以在外部再加一个电阻就有点浪费了把~。

    ②接线柱P3用于连接电机,并联一个续流二极管(SD4)(要用肖特基二极管哦),防止方向电压击穿MOS管;再并联一个滤波电容(C11),实测没什么用,此处还希望有了解的朋友给予帮助!

    ③PWM信号处接一下拉电阻(R13)(为了保持MOS管的输入高阻抗的优点,应尽可能的选择阻值较大的电阻),防止MCU上电误动作。

    总结一下,用MOS管设计开关电路现对来说是简单的。事实上,MOS管是“天生的开关”,而三极管是“天生的放大器”。

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    MOS管,又叫绝缘栅型场效应管,属于电压控制电流型元件,是开关电路中的基本元件。其特点是栅极(G)的内阻极高。场效应管分为P型和N型,P型场效应管由于跨导小、阈值电压高等原因,已经逐渐被NMOS所取代。

    同时,我们知道,MOS管还分为耗尽型和增强型,在实际工程中。我们使用的只有增强型P/NMOS,因为我们肯定不希望一开始就有一个漏极电流。


     寄生二极管

    由于mos管本身的结构,使得源极和漏极之间会存在一个寄生二极管,其方向的判断方法是,NMOS从源极指向漏极,PMOS反之。寄生二极管能够防止VDD过大时击穿MOS管(寄生二极管会率先击穿从而把大电压短路到地),也可以防止DS反接。(如上图)


    GS寄生电容,并联电容和并联电阻

    寄生电容:mos真正模型中,各个极之间都存在寄生电容,但是我们最关心的莫过于GS之间的寄生电容Cgs,它会**影响开关速度**。我们可以轻易地想到,瞬时电流越大,我们就能越快地充满Cgs,也就能越快地打开mos管。

    并联电容C1:①电容的增加使得开启时间变长,增加了开通损耗。原因:电容缓慢充电,所以开得慢。

    ②电容的增加,使得门极电压的高频震荡减少。同时,由于米勒平台的振荡减小,MOSFET在米勒平台期间的损耗也会相应减小。

    “这个我知道,该电容在H桥低侧的MOS上能起到作用。是因为大功率情况下,高端MOS开启的时候,下管G极信号虽然是关断的,但是由于DG之间电容的作用,会耦合进来一个比较小的尖峰信号,当幅值超过比如5V后,就会将该MOS误开启,时间够长的话,将会导致MOS烧毁,桥臂直通。 加上这个GS之间的电容后,由于相对于DG之间的寄生电容,值较大,所以很难在G极再形成可观的误开启信号了,使得电路稳定性增强。 但是同时导致MOS充电变慢,对充电电流要求更高了,所以需要综合权衡。”

    并联电阻R1:由于Cgs的存在,少量的静电就可以在GS之间产生巨大的电压,这个电压是非常具有破坏性的,这时候通过Rgs就可以把上面的电荷放掉,保护管子。同时它也提供偏置电压。

    因为MOS管栅极高输入阻抗的特性(对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对信号源有影响),一点点静电或者干扰都可能导致MOS管误导通,所以建议在MOS管G极和S极之间并联一个10K的电阻以降低输入阻抗防止误导通


    栅极电阻/阻尼电阻

    1.消除栅极振荡。因为驱动的走线会有很强的寄生电感(电磁感应),加之之前说过,GS之间有一个寄生电容,整体呈现容性,所以他们会形成一个LC谐振电路,在外部激励信号的影响下发生严重的震荡,我们串联一个电阻可以降低其Q值,使之迅速衰减。

    2.转移驱动器的功率损耗。电容和电感只会存储能量而不会消耗能量,如果不串接一个电阻,那么驱动器的功率大部分会消耗在其内部,使其温度上升很多,而无法传达到开关管上。

    3.调节功率开关管的开关速度。如果栅极电阻太大,那么开关速度会显著降低,这显然不是我们想要的。但是如果栅极电阻太小,那么高开关速度带来的是很大的电流电压变化率,也就意味着强烈的干扰,因此必须统筹兼顾。

    接1:寄生电容Cgs和寄生电感相互作用会产生一个高频振荡信号,如下图:(Vgs波形)

    那么如何计算这个电阻值呢?

    Ciss可以由参数表得到,f由开启关断时间计算


    栅极二极管

    调整这个可以调节MOS管的打开和关断的速度。

    上二极管在脉冲下降沿时起到对栅极放电的作用,使场效应管能快速截止,减少功耗。

    下二极管的作用是避免上桥快速开通时下桥的栅极电压耦合上升(Cdv/dt)而导致上下桥穿通的现象。


    接地电容

    主要是系统中提供瞬间电荷,抑制电流纹波和电压尖峰(寄生电感导致的)

    因为低值电容器可以快速提供一些电荷,而高值电容器可以提供大量电荷,随时间充电,有助于减少系统中的电压振铃和电压尖峰


    从漏极到源极的电容

    选择约0.01uF-1uF的值,并将其尽可能靠近FET,以确保正确工作

    由于采样电阻的布局,可能GND会引入寄生电感,导致不良接地,去耦电容就无法稳定的提供电荷,而这个电容就可以解决这个问题,直接连接到BAT+,和低压侧节点,采用交流接地的概念。


    自举升压电路/自举储能电容

    电解电容和二极管构成自举升压电路

    作用:抬高G点电位,保持MOS管导通

    电容器在高压侧开关驱动器上形成浮动电源,在需要开通高压侧开关管时给开关管供给驱动能量或驱动功率。

    那么如何计算这个电容呢?

     

    这里,Qg是我们驱动浮动MOSFET或高边MOSFET的门极总电荷量;△U是电容两端电压的变化量,我们知道这个电压越稳定,意味着驱动电压越稳定,保持一定的驱动电压意味着如MOSFET在稳定的饱和区,功率损耗越小。

    常规情况下,在电容已经被充电稳定的情况下,保持电容电压的变化或波动量在100mV到300mV是我们能够接受的,这个值也就就是电容电压的纹波大小。假如门极电荷量是10nC(驱动电压是10V的情况下),我们要求驱动过程中,自举电容的电压变化量最大是100mV,那么自举电容则为:

    实际中,这个电容我们通常要求采用低ESR的陶瓷电容,以便提供高质量的驱动能量,而大小则需要取值为计算值的3至5倍,这是因为电容本身会存在一定的偏差,陶瓷电容在直流偏置下容量衰减的比较厉害,即使你只使用它额定电压的50%或更低,尤其是非C0G材质的陶瓷电容。

    而我们常用的小功率DC-DC更是会给出一个典型的自举电容,比如100nF或10nF,这个值往往都是大于计算值的,我们采用推荐值,因为这些DC-DC的MOSFET内置,多数情况下,我们无法得知这个MOSFET的特性,所以采用它们给的推荐值。


     ​​​​​​​

     未完待续...

    感谢指导!

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