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2022.04.13 馬達

H橋電路的有刷直流馬達驅動:
輸出狀態的切換

有刷直流馬達

重點:

・可以透過2位元邏輯來實現H橋四種連接狀態的切換。

・除有刷直流馬達的H橋和有刷直流馬達的控制邏輯電路外,許多實際的有刷直流馬達驅動IC還具有電平轉換和同時導通防止功能。

上一篇文章中介紹了有刷直流馬達驅動的H橋電路的原理。本文將介紹有刷直流馬達驅動的H橋的實際控制(切換)。

H橋電路:輸出狀態的切換

在上一篇文章中我提到過在向馬達的兩個端子外加電壓時有四種連接方式:

 ①兩個端子都不與任何地方連接。
 ②將直流電源的(+)連接至一個端子,(-)連接至另一端子。
 ③將直流電源按照與②相反的極性連接至馬達。
 ④兩個端子之間相連接。

如果可以輸入2位元二進位值,則可以透過它們的組合來創建這四種狀態。舉一個簡單的例子,如果有2個邏輯輸入端子,則可以獲得22=4種組合。下面是內建H橋電路的有刷直流馬達驅動器的範例,這裡給出了大致的內部功能電路方塊圖。

用於切換H橋狀態的邏輯電路是以IN1和IN2作為輸入、由虛線圍起來的部分。該邏輯電路的真值表如下:

可以看出相對於IN輸入邏輯的VG狀態。VG是Q1~Q4的各MOSFET的閘極電壓狀態。例如,Q1的VG為H,這表示外加了H電平的電壓,而不是直接表示Q1的ON/OFF。

該H橋是Pch MOSFET(Q1,Q3)和Nch MOSFET的組合。高側是Pch,低側是Nch對(Q1和Q2,Q3和Q4),各汲極和源極都已連接並成為OUT1(Q1和Q2對)和OUT2(Q3和Q4對)的輸出。

從電路方塊圖中可以看出,Pch的Q1和Q3在閘極上帶有活動狀態的L符號,因此VG為L,處於導通(ON)狀態。Q2和Q4為活動狀態的H,因此Q2和Q4為H,並處於導通(ON)狀態。僅從這點看,它與CMOS逆變器邏輯電路相同,但是閘極由IN1和IN2分別控制。

OUT對應創建四種所需狀態。OPEN表示所有MOSFET均關斷且處於高電阻狀態。L表示透過MOSFET連接到GND,H表示連接到馬達電源VM。

儘管與H橋的控制邏輯沒有直接關係,但功能模組中顯示的電平轉換(Level Shift)和同時導通防止功能是硬體控制所需功能的範例。

電平轉換是一種可轉換低電壓邏輯電路的輸出電壓以適應高電壓MOSFET驅動的電路。邏輯電路部分設計為在3.3V或2.5V的常規邏輯電平下運行,但H橋部分則在5V、12V、24V等高電壓(馬達的驅動電壓)下運行。因此,由於不能直接用低電壓邏輯輸出電平來驅動而需要電平轉換電路。

同時導通防止功能是用來防止在高側電晶體和低側電晶體ON/OFF切換時可能會發生的兩邊電晶體同時導通的功能。這是由邏輯切換時的微妙時間點引起的現象。經常被提到的是在同步整流切換電源案例中,在交疊(Overlap)導通的瞬間,會有被稱為“直通(Shoot-through)電流”的電流從電源流向GND,存在損壞切換電晶體或IC的風險。

雖然談了一點看似關係不大的內容,不過請抓住本文的重點:可以利用2位元邏輯輸入來透過H橋獲得四種狀態。

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