基于ＨＩＰ４０８１的厚膜Ｈ橋電機驅動電路設計

2009-03-02 09:33:12刁小玲

現代電子技術 2009年4期

刁小玲

摘要：為了實現小體積、高可靠的電機驅動與控制，利用HIP4081專用芯片和ALN厚膜混合集成技術，設計一種基于HIP4081的厚膜H橋電機驅動電路，完成了H橋式驅動電路對電機雙向轉動和調速的控制。經實際應用，該電路不僅安全可靠地實現了電機的雙向轉動和調速功能，且產品體積小，導熱性能好，效率高;還能在惡劣的使用環境下安全工作，提高了驅動電路和系統的可靠性，適合軍、民兩用。

關鍵詞：HIP4081；H橋；ALN；厚膜混合集成

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2009)04-008-03

Hybrid Integrated Technology H Bridge Motor Driver Based on the HIP4081

DIAO Xiaoling

(Shenzhen Zhenhua Microelectronics Co.Ltd.,Shenzhen,518057,China)

Abstract：For carrying out a small physical volume and high reliability of the motor driving and control,by using HIP4081 chip and ALN hybrid integrated technology,a hybrid integrated technology H bridge circuit based on HIP4081 is designed to control bidirectional circumrotation and speed regulation of the motor.By practical application,the bidirectional circumrotation/speed adjustment of motor are realized safely and reliably.The products has a small physical volume,fast heat transmission,high efficiency and can operate properly in severe environment.It can enhance the reliability of the drive circuit and the system,and adapt to both military and commercial usage.

Keywords：HIP4081;H bridge;ALN;hybrid integrated circuit

隨著電力電子技術的進步和微處理器技術的應用，大大改變了電機控制、電氣傳動的面貌。形成了一門多學科交叉的“運動控制”技術。運動控制系統能使被控機械運動實現精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制，以及這些被控機械量的綜合控制。H橋驅動電路能與主處理器、電機等構成一個完整的運動控制系統，可應用于步進電機、交流電機及直流電機等的運動控制。

1 電機運動控制及其驅動電路

在電機的運動控制中，最常見的是電機的雙向轉動和調速，流經電機繞組的電流大小和方向要受控。

圖1,圖2是由4個N溝道MOS管（M1～M4）和一個電機（M）組成的H橋。在圖1中，當M1和M4導通時，電流從電源正極經M1從左至右穿過電機，然后再經M4回到電源負極，電機沿順時針轉動。在圖2中，當M3和M2導通時，電流從右至左流過電機，電機沿逆時針轉動。因此，通過調整MOS管的導通與截止時序可以控制電機的轉向，通過調整流經電機電流的大小可以控制電機的轉速。

在此介紹一款基于HIP4081設計的厚膜H橋電機驅動電路，用于某炮瞄系統。電路內部集成了CMOS控制電路和由MOS管組成的H橋，它能為負載提供5 A的連續電流。該電路能在60 V的供電電源范圍內安全工作，用戶只需提供與TTL電平兼容的PWM信號就可進行4象限模式的幅值和方向同時控制，而且與數字控制器的接口非常簡單。其內部電路可提供適當的死區時間間隔以保護H橋的4個N溝道場效應管，效率可達97％。提供有與TTL兼容的使能管腳來關斷4個場效應管。

2 HIP4081內部結構及技術特點

HIP4081是intersil公司推出的一款專門用于控制H橋的高頻全橋驅動芯片。采用閂鎖抗干擾CMOS 制造工藝，具有獨立的低端和高端輸入通道，分別獨立驅動4個N溝道MOS管；輸出峰值電流為2 A；芯片內部具有電荷泵和死區時間設置；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達95 V，邏輯電源電壓范圍6～15 V，工作頻率高，可達1 MHz；具有能控制所有輸入的禁止端，可方便地與外接元件形成保護電路。圖3給出HIP4081的引腳排列定義，圖4顯示了1/2 HIP4081（A邊）的內部功能框圖。主要組成部分有：邏輯輸入、使能、電荷泵、電平平移及死區時間設置等。

在圖4中，ALI，AHI分別是A邊的低邊輸入和高邊輸入；ALO，AHO分別是A邊的低邊輸出和高邊輸出，DIS是使能輸入；在另一半（B邊）的內部功能圖中，BLI、BHI分別是B邊的低邊輸入和高邊輸入；BLO，BHO分別是B邊的低邊輸出和高邊輸出。他們之間的邏輯關系如表1所示。

3 電路實現基本原理

電路原理框如圖5所示。

在圖5中，Vcc為內部邏輯電路和MOS管上臂和下臂驅動器的低壓電源；Vs為H橋供電電源，MOS管從這個電源端獲得輸出電流，該腳電壓范圍為Vcc～+80 V；猇o1為半橋的輸出腳1，當PWM輸入ALI為高，BLI為低時，該腳輸出為Vs；Vo2為半橋的輸出腳2，當PWM輸入ALI為低，BLI為高時，該腳輸出為Vs；SENSE為2個半橋下臂的共同聯接點，可連接一個到Vs地的檢測電阻以檢測電流，該腳也可以直接連到Vs的地。GND為輸入邏輯和Vcc的地；PWM輸入為用于輸入與TTL兼容的PWM信號，占空比在0%～100%之間；DIS為用于關斷4個MOS管，該腳為1時為關斷，為0時使能。

3.1 電路工作邏輯時序及電機運動狀態分析

在圖5中，當使能端DIS處于高電平“1”時，無論ALI，BLI是“1”還是“0”，ALO,BLO,AHO,BHO都為“0”，電路處于禁止狀態，電機停轉。當使能端DIS處于低電平“0”時，ALI和BLI可通過反相器分別同時接收PWM信號的高電平“1”和低電平“0”。當ALI為1，BLI為0時，此時，ALO為1，AHO為0，BLO為0，BHO為1，H 橋中的MOS管M1與M4導通，H橋處于圖1狀態，電機順時針旋轉。當ALI為0，BLI為1時，此時，ALO為0，AHO為1，BLO為1，BHO為0，H橋中的MOS管M3與M2導通，H橋處于圖2狀態，電機逆時針旋轉。當ALI，BLI同時為0時，ALO,BLO都為0，AHO,BHO都為1，電機中沒有電流流過，處于制動狀態。當ALI，BLI同時為1時，ALO,BLO都為1，AHO,BHO都為0，電機中也沒有電流流過，同樣處于制動狀態。其邏輯關系如表2所示。

3.2 死區時間的考慮

在圖5中，保證H橋上2個同側的MOS管（M1和M2,M3和M4）不會同時導通非常重要。如果MOS管M1和M2(或M3和M4)同時導通，那么電流就會從電源Vs正極穿過2個MOS管直接回到負極。此時，電路中除了MOS管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞MOS管。基于上述原因，在實際驅動電路中要使M1與M2或M3與M4在導通時間上有一個延遲，也稱死區時間。

HIP4081留有HDEL和LDEL兩個端口（見圖4），用戶通過外接電阻，可根據實際電路工作情況，自行定制死區時間。死區時間與HDEL/LDEL電阻的關系如圖6所示。

3.3 效率的考慮

在圖5中，決定驅動電路效率的主要是以下3個因素：HIP4081的靜態功耗；Vcc電源的動態功耗；MOS管的I2R損耗。

由于HIP4081是CMOS器件，第（1）項損耗很小,可忽略不計，第（2）項損耗雖然大一些，但遠小于（3）項（尤其是滿負荷輸出時）。而MOS管的I2R由其導通電阻決定，因此選擇合適的MOS管組成H橋電路，可以減少（3）項損耗。該電路選用N溝道HEXFET Power MOSFET IRFP250N,其導通電阻為0.075 Ω,降低了導通損耗，提高了效率。

3.4 產品結構的考慮

（1）該產品結構采用厚膜混合集成技術設計，如圖7所示，在具有高導熱率的AlN陶瓷基板上通過厚膜印燒工藝制作厚膜基板，并通過基板金屬化與焊接技術，將ALN基板與金屬外殼進行焊接，大大提高了電路的導熱能力和功率密度。