H桥驱动电路通用

1、背景此问题一直想留给做小车的同学去研讨，期望他们在制作过程 中能够悟出其中的道理。可无奈等至今日也未见一文半字:( 却接到了无数的质询：你为何要用分立元件构建 H H 桥驱动？为何不选择 L298L298 集成电路桥？为何要使用 MOSMOS 管？等等,，逐个回复太累了， 只好整理一下，汇总于此，供参考，有不妥之处望指正，更望能有人提 出进一步的分析。二、 分析内容界定本文只涉及有刷直流电机 H H 桥驱动部分的电路，不讨论如何 控制 H H 桥？如何实现 PWMPWM 以及如何实现过流保护等；而且主要讨论 构成 H H 桥 4 4 个桥臂对性能的影响。三、H 桥原理简述所谓 H H 桥驱动电

2、路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下：vcc工从图中可以看出，其形状类似于字母“ H,H,而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的， 所以称之为“ H H 桥驱动”。4 4 个开关 所在位置就称为“桥臂”。从电路中不难看出，假设开关 A A、D D 接通，电机为正向转动，则 开关 8 8 C C接通时，直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱 动。借助这 4 4 个开关还可以产生电机的另外 2 2 个工作状态：A A ）刹车一一将 B B、D D 开关（或 A A、C C）接通，则电机惯性转 动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势

3、，形成“刹车”作用。B B ）惰行 一一 4 4 个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势 将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转 动较长时间。以上只是从原理上描述了 H H 桥驱动，而实际应用中很少用开关 构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接 点的开关（继电器）。细分下来，晶体管有双极性和 MOMO 管之分，而集成电路只是将 它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、 可靠而做成了一块电路。双极性晶体管构成的 H桥:VC(?D(? MOTORMO 审构成的 H 桥:以下就分析一下这些电路的性能差异。四、几种典型 H桥驱动电路

4、分析分析之前，首先要确定 H H 桥要关注那些性能：A A ）效率一一所谓驱动效率高，就是要将输入的能景尽景多的 输出给负载，而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能景， 具体到 H H 桥上, 也就是 4 4 个桥臂在导通时最好没有压降，越小越好。B B ）安全性一一不能同侧桥臂同时导通；D D ）电流一一能够通过的驱动电流。大致如此，仔细考景，指标 B B）似乎不是 H H 桥本身的问题，而是 控制部分要考虑的。而后两个指标通过选择合适参数的器件就可以达到，只要不是那些特别大的负载需求，每种器件通常都能选择到。而且，小车应用中所 能遇到的电流、电压更是有限。只有指标 A A）是由不同器件的性能所

5、决定的， 而且是运行中最应该 关注的指标，因为它直接影响了电机驱动的效率。所以，经分析的重点放在效率上，也就是桥臂的压降上。为了使分析简单，便于比较，将 H H 桥的驱动电流定位在 2A2A 水 平上，而电压在 5 5 - - 12V12V 之间。选择三个我所涉及到的器件：A A）双极性晶体管一-D772-D772、D882D882B B）)MOS1)MOS1 23012301、23022302C C）集成电路 H H 桥-L298-L298D772的压降指标如下:C C ） 电压能够承受的驱动电压; TEJ.Collector-emitter saturation voltageVcE(sa

6、t)lc*2AtIB=*0.2AD882的压降指标如下:Collector-emitter saturation voltageVest sat)(C2AH0.2A0.5V2301的压降指标如下:Drain-Source OrvReststance4rMton|i0 0930.1:30n-VGS-25V|O-20A0 !400 T90因为 MOigMOig 是以导通电阻来衡景的，需要换算一下，小车的控制电压是 4.5V4.5V，按上面的导通电阻计算，2A2A 的压降应该是：2*2* 0.0930.093=0.186V=0.186V，最大是：2 2 * * 0.130.13 = = 0.26V0

7、.26V。2302的压降指标如下：同上换算一下，小车的控制电压是 4.5V4.5V （电池电压），按上面的导通电阻计算，2A2A 的压降应该是：2*2* 0.0450.045 = = 0.09V0.09V，最大是：2 2 * * 0.060.06 = = 0.12V0.12VDrain-Source On-Resssfartce3VGS =4.S VrlD- 3.6 A0.04S0.06(?-2L5VJD-3.1 A0.0700.115R&Siwi)L298的压降指标如下:Source Saturation VoltagelL= 1A lL= 2A0.951.3521,72,7V VV

8、cEsat(L)Sink Saturation VoltagelL= 1A (5)L = 2A (5)C.851,2171.62.3V VVcEittTotal Dropl= 1A 5)II* (S)180124.9V表中第一行为上桥臂的压降， 对应 D772D772、 2301,2301,第二行为下桥 臂的压降， 对应 D882D882、 2302,2302,第三行为两者之和。对比一下不难看出，如果均以 2A2A 电流驱动计算，三种驱动自身 所消耗的功率如下：D772、D882 :(0.5+0.5 ) * 2=2 W2301、2302:(0.26+0.12) * 2 =0.76 WL298:

9、4.9* 2 = 9.8 W如果以驱动一个 4.5V、2A 的直流电机为例:电机得到的功率是：4.5 *2 = 9W ;用 D772、D882则需要供电 5.5V，效率为：9/(5.5*2 ) = 81% ;用 2301、2302 则需要供电 4.88V ,效率为：9 / (4.88*2 ) = 92%用 L298则需要供电 9.4V ,效率为：9/(9.4*2 ) = 48 %结论不言自明了吧！从这组数据还可以看出三者的散热需求及其外形差异的原因。同时解释了圆梦小车开始使用 D772D772、D882D882 驱动时为何选用 3V3V 的 130130 电机，因为小车是4 4 节充电电池供电

10、，只有 4.84.8 5V,5V, H H 桥压 降 1V,1V,所以只能使用 3V3V 的电机。而改用 MOMO 漪驱动后，就选用了 4.5V4.5V 的 N20N20 电机，因为 MOSMOS 管只带来了 0.4V0.4V 不到的压降。而分析 L298L298 的压降你就会知道，如果你的电机需要 2A2A 左右的 启动电流，那使用 5V5V 是根本无法工作的。有一个同学托我代购了一片 L298L298 , ,结果回去后说是电机只抖动 不转，我问他使用几伏电压，他告诉我5V5V :(:(我只好请他仔细阅读L298L298 的资料。实际上使用 L298L298 不只是驱动压降限制了电机的供电电

11、压，它的控制电平要求也使得你几乎无法使用低于6V6V 的工作电压，看如下信息：SymbolParameterTest ConditionsMin.Typ*Max.UnitVsS唉ply Voltage (pin 4)Operative ConditionViH +2.546V表中 VsVs 为电机驱动的供电电压（L298L298 分 2 2 路供电，一路是 电机驱动的，就是 H H 桥上的，一路是供给逻辑电路的）， ViHViH 是指逻 辑控制输入高电平。此参数的含义是，电机驱动电压必须大于逻辑控制电平 2.5V2.5V , , 如果你的逻辑部分使用5V5V 供电，那电机的供电电压至少 7.5

12、V7.5V , ,否则 将无法保证正常工作。除非你将逻辑控制电平降低。很多同学用的都是 L298L298，建议你们仔细分析一下，看看自己的设计是否符合 L298L298 手册所规定的工作条件，也许很多现象都能自己解 释了H H 桥驱动电路原理发表丁 2008/9/172008/9/17 16:27:4016:27:40一、H H 桥驱动电路图 4.124.12 中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名丁“晰驱动电路”是因为它的形状酷似字母 H H。4 4 个三极管组成 H H 的 4 4 条垂直腿，而电机就是 H H 中的横杠（注意：图 4.124.12 及随后的两个图都只是示意图，而不是

13、完整的电路图， 其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H H 桥式电机驱动电路包括 4 4 个三极管和一个电机。要使电机运转，必 须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向图 4.124.12 H H 桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图 4.134.13 所示, 当 Q1Q1 管和 Q4Q4 管导通时，电流就从电源正极经 Q1Q1 从左至右穿过电机，然后再 经 Q4Q4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转 动。当三极管 Q1Q1 和 Q4Q4 导通时，电流将

14、从左至右流过电机，从而驱动电机按特 定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图 4.134.13 H H 桥电路驱动电机顺时针转动图 4.144.14 所示为另一对三极管 Q2Q2 和 Q3Q3 导通的情况，电流将从右至左流过电机 当三极管 Q2Q2 和 Q3Q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方 向转动（电机周围的箭头表小为逆时针方向）。图 4.144.14 H H 桥驱动电机逆时针转动二、使能控制和方向逻辑驱动电机时，保证 H H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三 极管 Q Q1 1和 Q2Q2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负

15、极。 此时，电路中除了三极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），甚至烧坏三极管。基丁上述原因，在实际驱 动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。图 4.1554.155 所示就是基丁这种考虑的改进电路， 它在基本 H H 桥电路的基础上增 加了 4 4个与门和 2 2 个非门。4 4 个与门同一个 使能”导通信号相接，这样，用这一 个信号就能控制整个电路的开关。而 2 2 个非门通过提供一种方向输人，可以保证 任何时候在 H H 桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图 一样，图 4.154.15 所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连图 4.154.15 具有使能控制和方向逻辑的 H H 桥电路采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个 使能信号。如果 DIRDIR L L 信号为 0,0, DIRDIR R R 信号为 1,1,并且使能信号是 1,1,那么 三极管 Q1Q1 和 Q4Q4 导通，电流从左至右流经电机（如图 4.164.16 所示）；如果 DIRDIR 一 L L 信号变为 1 1，而 DIRDIR R R 信号变为 0,0,那么 Q2Q2 和 Q3Q3 将导通，电流则反向流QA。3过电机图 4.164.16