IR2104-+-IRF540-MOS電機驅動全橋-學習與實踐過程

1、IR2104 + IRF540 MOS電機驅動全橋 學習與實踐過程  使用L293或L298等全橋芯片來控制直流電機雖然簡便而且成本低廉，但由于它們的內阻較大，在控制大電流的馬達時芯片常常過熱，導致系統的整體效率較低。在電動車上，馬達控制芯片的內阻過大會導致車子的加速度變小。    本人設想在暑假制作一個大的輪式或者履帶式機器人，并且希望它能跑到公交車那么快，于是開始研究如何使用MOS管來控制更大電流的電機。    首先，本人參考了 大功率直流馬達的驅動ABU ROBOCON

2、 2005比賽之動力方案一文中的電路圖 （原文地址     按照這個原理圖，我熱轉印制作了單個全橋的實驗電路。個別的電阻電容值有所變動。    上電并給予有效的持續(xù)高電平信號后發(fā)現電路不能驅動馬達，而2104開始發(fā)燙，540沒有任何反應。于是更換2104，但仍出現同樣的現象。通過示波器檢測發(fā)現，高端MOS沒有被驅動，而低端MOS的G端信號正常，因而橋沒有被導通。更換信號方向，另外半橋仍然出現相同的現象。    本人開始懷疑是BOOTSTRAP電容

3、的問題，于是實驗了不同的電容值。但無論怎么變換，問題仍然沒有被解決。由于手頭沒有4148，使用了IN5819作為續(xù)流二極管，按道理5819只會比4148更好，不應該成為問題的原因。    由于手頭2104只有6片，而所有的都上電并且發(fā)熱過，于是重新購買了一批2104。在這里感謝周順同學，那天剛好他畢業(yè)考考好，幫我到科技京城買了2104。    更換2104后，電路工作正常。周順看了看我原來的2104，恍然大悟：原來的芯片是97年前的舊貨。    馬達歡快地轉了起來。由于540

4、的內阻要比298小很多，馬達的加速度明顯提高，變向時電刷更是發(fā)出了閃亮的火星。    回到家后用示波器開始研究高端MOS的G端驅動電壓波形。發(fā)現在EN端為高的初期，高端MOS的驅動電壓突然升至比VCC高10V。此時強推動作用起效。但隨著時間的流逝，該電壓逐漸衰減為VCC，MOS的導通程度越來越不完全。直到下一個脈沖到來，G端電壓又恢復為VCC+10V，但又逐漸衰減。也就是說，用持續(xù)的高電平信號來驅動MOS會導致MOS不能被完全導通，致使MOS發(fā)熱，馬達的實際功率低下。使用PWM信號則可以解決這個問題，它使BOOTSTRAP電容反復充電放電，使高端驅動電壓

5、始終維持在一個比較高的水平。倘若想讓馬達全速前進，不能使用持續(xù)的高電平，而需要用3%左右占空比的PWM，這是驅動2104與驅動298等全橋芯片的最大差別。    不同的BOOTSTRAP電容值適應于不同頻率的PWM信號與不同的MOS。電容值大的充電和放電時間都比較大，電壓衰減得也比較慢，因而適合較低頻率的PWM；電容值小的充電放電時間比較短，適合于較高頻率的PWM。雖然IR給出過一個BOOTSTRAP電容的計算公式，但本人更傾向于通過實驗來尋找合適的電容值。這樣做既避免了繁雜的計算，又可以通過實驗來了解它的工作原理，而且還可以適應板載電容。 &

6、#160;  通過實驗，本人確定了1UF的電容值。該電容采用了旦電容，以減少漏電。但如果沒有旦電容，其他漏電較大的電容影響也并非很大。相對于高頻的PWM，在如此短的時間內漏電的影響是微乎其微的。但從理論上來說，BOOTSTRAP電容漏電會導致高端MOS的導通電阻變大。    總結了以上經驗，本人又制作了一塊雙電機的MOS驅動電路。電路沒有太大的改變，只是把續(xù)流二極管改為原圖所說的4148，把阻容換成了貼片封裝，并且采用了1UF旦電容作為BOOTSTRAP電容。點擊此處下載熱轉印用PCB文檔（DXP）   

7、 該電路制作好后成功地驅動了我的機器人小車。小車在全速啟動以及突然反向運動時的性能明顯比使用298要好。主要原因為突然變向的電流很大，而298的驅動能力有限，導致變向的電流較小，加速度較小。    實驗并沒有發(fā)現該電路有什么問題，于是電路基本定型，轉向于研究設計印刷電路板。由于TO-220封裝的MOS管直立很占空間，而且還需要散熱器，于是本人決定采用貼片的D2PAK封裝的IRF540，其他元件也都改為貼片封狀。另外為了散熱，本人還在芯片的上面設計了散熱器和風扇。降低MOS溫度可以大大提高工作效率。    

8、一周后我拿到了印刷電路板，同時我也去購買貼片元件。IRF540S（S是貼片，N是TO-220）并沒有買到正品，而是買到了打磨后重新刻字的拆機件，其他元件都買到了正品。回家焊接好后，電路工作正常，綠的散熱器很漂亮。點擊此處下載PCB以及SCH    雖然該電路工作正常，但總感覺拆機的MOS管發(fā)熱很大。于是我決定將TO220的正品540改為D2PAK封裝，以做對比實驗。首先，用鑿子將BACK鑿到合適的位置剪去一個腳用老虎鉗彎到合適的位置再剪到合適的長短改裝好的540與D2PAK封裝的7805對比     &#

9、160; 我將這些改裝好的正品540焊接到了電路上，而且沒有安裝散熱器。由于急于想看到實驗結果，在使用完焊錫膏后我沒有洗板就上電了，結果2104突然冒火，被燒成兩半。我急忙斷電，但為時已晚。更換2104后，電路仍不能正常工作。通過檢測發(fā)現，問題出在74HC00上。更換74HC00并洗板后，電路工作正常。我突然意識到74HC00的剩余引腳沒有接地，而焊錫膏則可能導致漏電。因而我將這次事故的主要原因歸結為：CMOS剩余引腳沒有接地，而焊錫膏漏電導致慘劇發(fā)生。    電路修理好后，通過驅動同一馬達，我發(fā)現正品540沒有任何感覺得到的升溫，而拆機540

10、則明顯升溫。我斷定，拆機540并非540，而是其他電流較小的MOS打磨后冒充540。    我來到科技京城，到處尋找IRF540S，但所有的商家都告訴我，只有假的，真的沒有。而其他的貼片MOS，電流都比較小。因此我意識到只能采用手工加工540N的辦法來獲得540S。真是無奈啊。    回家后我開始實驗較大電流的驅動，我將驅動電壓和2104工作電壓設為同路的12V，由一個2A的穩(wěn)壓電源供電，并且將限流開到最大。驅動信號為97%高電平的PWM，每隔1秒反轉馬達。當馬達反轉時，意想不到的事情發(fā)生了：馬達停了下來，電流卻被

11、限制在了2A！此時板上的元件一定開始發(fā)熱了！我迅速地將電源關閉。摸了下2104，滾燙！不過還好沒有燒毀。重新上電驅動小馬達一切正常。但一反轉大馬達，同樣的事情再次發(fā)生。經過反復思考，我將該問題歸結于電源的限流。由于馬達反轉時電流巨大，拉低了電壓，使2104工作電壓低于了正常范圍（10V-20V），最低甚至到達了3V，而此時外圍電路卻在繼續(xù)工作，2104極有可能發(fā)生錯亂而導致發(fā)熱。因此本人建議：2104的VCC最好能單獨供電，千萬不能因為馬達而拉低電壓，否則后果很可能是毀滅性的！    解決了該問題后，我想到電路的設計電流過小，50MIL的線頂多只能通過5A的電流，而540卻能驅動30個安培，該電路對它的驅動能力造成了極大的浪費，因此決定重新設計。    在重新設計的電路板上，我沒有改變任何的電路，而是把心思放在了走線以及散熱上。我在每個MOS的正面和反面都采用了長方形的敷銅充當散熱片，并且在MOS安裝的地方用數量眾多的過孔將兩片敷銅連接起來，使正面的熱量能夠迅速傳遞到反面進行散熱。另外在大電流的網絡中，我還運用了SOLDER層去除阻焊層，使之能夠鍍錫以提供更大的電流。    昨天我拿到了PCB板，迫不及待地進行了焊接，洗板以及上電實驗，一切順利。電路自身的