基于HIP4081的厚膜H桥电机驱动电路设计

2010-06-11 08:18:44来源: 现代电子技术

  随着电力电子技术的进步和微处理器技术的应用,大大改变了电机控制、电气传动的面貌。形成了一门多学科交叉的“运动控制”技术。运动控制系统能使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制,以及这些被控机械量的综合控制。H桥驱动电路能与主处理器、电机等构成一个完整的运动控制系统,可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的运动控制。

  1 电机运动控制及其驱动电路

  在电机的运动控制中,最常见的是电机的双向转动和调速,流经电机绕组的电流大小和方向要受控。

  图1,图2是由4个N沟道MOs管(M1~M4)和一个电机(M)组成的H桥。在图1中,当M1和M4导通时,电流从电源正极经M1从左至右穿过电机,然后再经M4回到电源负极,电机沿顺时针转动。在图2中,当M3和M2导通时,电流从右至左流过电机,电机沿逆时针转动。因此,通过调整MOS管的导通与截止时序可以控制电机的转向,通过调整流经电机电流的大小可以控制电机的转速。

由4个N沟道MOs管

  在此介绍一款基于HIP4081设计的厚膜H桥电机驱动电路,用于某炮瞄系统。电路内部集成了CMOS控制电路和由MOS管组成的H桥,它能为负载提供5 A的连续电流。该电路能在60 V的供电电源范围内安全工作,用户只需提供与TTL电平兼容的PWM信号就可进行4象限模式的幅值和方向同时控制,而且与数字控制器的接口非常简单。其内部电路可提供适当的死区时间间隔以保护H桥的4个N沟道场效应管,效率可达97%。提供有与TTL兼容的使能管脚来关断4个场效应管。

  2 HIP4081内部结构及技术特点

  HIP4081是intersil公司推出的一款专门用于控制H桥的高频全桥驱动芯片。采用闩锁抗干扰CMOS制造工艺,具有独立的低端和高端输入通道,分别独立驱动4个N沟道MoS管;输出峰值电流为2 A;芯片内部具有电荷泵和死区时间设置;悬浮电源采用自举电路,其高端工作电压可达95 V,逻辑电源电压范围6~15 V,工作频率高,可达1 MHz;具有能控制所有输入的禁止端,可方便地与外接元件形成保护电路。图3给出HIP4081的引脚排列定义,图4显示了1/2HIP4081(A边)的内部功能框图。主要组成部分有:逻辑输入、使能、电荷泵、电平平移及死区时间设置等。

HIP4081的引脚排列定义

1/2HIP4081

  3 HIP4081引脚排列

  在图4中,Au,AHl分别是A边的低边输入和高边输入;ALO,AHO分别是A边的低边输出和高边输出,DIS是使能输入;在另一半(B边)的内部功能图中,BLI、BHl分别是B边的低边输入和高边输入;BL0,BH0分别是B边的低边输出和高边输出。他们之间的逻辑关系如表1所示。

逻辑关系

  3 电路实现基本原理

  电路原理框如图5所示。

电路原理框图

  在图5中,VCC为内部逻辑电路和MOS管上臂和下臂驱动器的低压电源;Vs为H桥供电电源,MOS管从这个电源端获得输出电流,该脚电压范围为Vcc~+80 V;V01,为半桥的输出脚1,当PwM输入ALI为高,BLI为低时,该脚输出为Vs;Vo2为半桥的输出脚2,当PwM输入ALI为低,BLl为高时,该脚输出为Vs;SENSE为2个半桥下臂的共同联接点,可连接一个到Vs地的检测电阻以检测电流,该脚也可以直接连到Vs的地。GND为输入逻辑和Vcc的地;PWM输人为用于输入与TTL兼容的PwM信号,占空比在O%~100%之间;DIS为用于关断4个MOS管,该脚为1时为关断,为0时使能。

  3.1 电路工作逻辑时序及电机运动状态分析

  在图5中,当使能端D1S处于高电平“1”时,无论ALI,BLI是“1”还是“O”,ALO,BLO,AH0,BH0都为“0”,电路处于禁止状态,电机停转。当使能端DIS处于低电平“O”时,ALl和BLI可通过反相器分别同时接收PWM信号的高电平“1”和低电平“0”。当ALl为1,BLI为0时,此时,ALO为1,AHO为0,BLO为O,BHO为1,H桥中的MOS管M1与M4导通,H桥处于图1状态,电机顺时针旋转。当ALI为O,BLI为1时,此时,AL0为0,AHO为1,BLO为1,BHO为O,H桥中的MOS管M3与M2导通,H桥处于图2状态,电机逆时针旋转。当ALI,BLI同时为O时,ALO,BLO都为O,AH0,BHO都为1,电机中没有电流流过,处于制动状态。当ALI,BLI同时为1时,AL0,BLO都为1,AHO,BHO都为O,电机中也没有电流流过,同样处于制动状态。其逻辑关系如表2所示。

逻辑关系

  3.2 死区时间的考虑

  在图5中,保证H桥上2个同侧的MOS管(M1和M2,M3和M4)不会同时导通非常重要。如果MOS管M1和M2(或M3和M4)同时导通,那么电流就会从电源Vs正极穿过2个MOS管直接回到负极。此时,电路中除了MOS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MOS管。基于上述原因,在实际驱动电路中要使M1与M2或M3与M4在导通时间上有一个延迟,也称死区时间。

  HIP4081留有HDEL和LDEL两个端口(见图4),用户通过外接电阻,可根据实际电路工作情况,自行定制死区时间。死区时间与HDEL/LDEL电阻的关系如图6所示。

死区时间与HDEL/LDEL电阻的关系

  3.3 效率的考虑

  在图5中,决定驱动电路效率的主要是以下3个因素:H1P4081的静态功耗;Vcc电源的动态功耗;MOS管的I2R损耗。

  由于HIP4081是CMOS器件,第(1)项损耗很小,可忽略不计,第(2)项损耗虽然大一些,但远小于(3)项(尤其是满负荷输出时)。而MOS管的I2R由其导通电阻决定,因此选择合适的M0s管组成H桥电路,可以减少(3)项损耗。该电路选用N沟道HEXFETPower MOSFET IRFPP250N,其导通电阻为O.075 Ω,降低了导通损耗,提高了效率。

  3.4 产品结构的考虑

  (1)该产品结构采用厚膜混合集成技术设计,如图7所示,在具有高导热率的AlN陶瓷基板上通过厚膜印烧工艺制作厚膜基板,并通过基板金属化与焊接技术,将ALN基板与金属外壳进行焊接,大大提高了电路的导热能力和功率密度。

该产品结构采用厚膜混合集成技术设计

  (2)在图7中,产品内部全部有源器件采用裸芯片,通过混合集成电路的二次集成工艺技术,将元器件、ALN厚膜陶瓷基板以及金属外壳组装在一起。形成具有全密封金属外壳、外形尺寸为32 mm×32 mm×7 mm的双列直插式厚膜混合集成产品,大大缩小了体积,减少了产品内部级连和焊点,提高了可靠性。

  4 结 语

  这里设计的厚膜H桥电机驱动电路经过实际应用表明:该电路不仅安全可靠地实现了电机的双向转动和调速,提高了驱动电路和系统的可靠性,而且产品体积小,导热性能好,效率高,能在恶劣的使用环境下安全工作,适合军、民两用。

关键字:HIP4081  H桥  ALN  厚膜混合集成

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0611/article_2319.html
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