基于ＨＩＰ４０８１的厚膜Ｈ橋電機驅(qū)動電路設(shè)計

刁小玲

摘 要：為了實現(xiàn)小體積、高可靠的電機驅(qū)動與控制，利用HIP4081專用芯片和ALN厚膜混合集成技術(shù)，設(shè)計一種基于HIP4081的厚膜H橋電機驅(qū)動電路，完成了H橋式驅(qū)動電路對電機雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速的控制。經(jīng)實際應(yīng)用，該電路不僅安全可靠地實現(xiàn)了電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速功能，且產(chǎn)品體積小，導(dǎo)熱性能好，效率高;還能在惡劣的使用環(huán)境下安全工作，提高了驅(qū)動電路和系統(tǒng)的可靠性，適合軍、民兩用。

關(guān)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(shù)的進步和微處理器技術(shù)的應(yīng)用，大大改變了電機控制、電氣傳動的面貌。形成了一門多學(xué)科交叉的“運動控制”技術(shù)。運動控制系統(tǒng)能使被控機械運動實現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機械量的綜合控制。H橋驅(qū)動電路能與主處理器、電機等構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)，可應(yīng)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(qū)動電路

在電機的運動控制中，最常見的是電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速，流經(jīng)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(dāng)M1和M4導(dǎo)通時，電流從電源正極經(jīng)M1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)M4回到電源負極，電機沿順時針轉(zhuǎn)動。在圖2中，當(dāng)M3和M2導(dǎo)通時，電流從右至左流過電機，電機沿逆時針轉(zhuǎn)動。因此，通過調(diào)整MOS管的導(dǎo)通與截止時序可以控制電機的轉(zhuǎn)向，通過調(diào)整流經(jīng)電機電流的大小可以控制電機的轉(zhuǎn)速。

在此介紹一款基于HIP4081設(shè)計的厚膜H橋電機驅(qū)動電路，用于某炮瞄系統(tǒng)。電路內(nèi)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(xù)電流。該電路能在60 V的供電電源范圍內(nèi)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(shù)字控制器的接口非常簡單。其內(nèi)部電路可提供適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間間隔以保護H橋的4個N溝道場效應(yīng)管，效率可達97％。提供有與TTL兼容的使能管腳來關(guān)斷4個場效應(yīng)管。

2 HIP4081內(nèi)部結(jié)構(gòu)及技術(shù)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(qū)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(qū)動4個N溝道MOS管；輸出峰值電流為2 A；芯片內(nèi)部具有電荷泵和死區(qū)時間設(shè)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(nèi)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(qū)時間設(shè)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(nèi)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(guān)系如表1所示。

3 電路實現(xiàn)基本原理

電路原理框如圖5所示。

在圖5中，Vcc為內(nèi)部邏輯電路和MOS管上臂和下臂驅(qū)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(dāng)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(dāng)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(lián)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(guān)斷4個MOS管，該腳為1時為關(guān)斷，為0時使能。

3.1 電路工作邏輯時序及電機運動狀態(tài)分析

在圖5中，當(dāng)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(tài)，電機停轉(zhuǎn)。 當(dāng)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(dāng)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(dǎo)通，H橋處于圖1狀態(tài)，電機順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)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(dǎo)通，H橋處于圖2狀態(tài)，電機逆時針旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)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(tài)。 當(dāng)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(tài)。其邏輯關(guān)系如表2所示。

3.2 死區(qū)時間的考慮

在圖5中，保證H橋上2個同側(cè)的MOS管（M1和M2,M3和M4）不會同時導(dǎo)通非常重要。如果MOS管M1和M2(或M3和M4)同時導(dǎo)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?；谏鲜鲈颍趯嶋H驅(qū)動電路中要使M1與M2或M3與M4在導(dǎo)通時間上有一個延遲，也稱死區(qū)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(jù)實際電路工作情況，自行定制死區(qū)時間。死區(qū)時間與HDEL/LDEL電阻的關(guān)系如圖6所示。

3.3 效率的考慮

在圖5中，決定驅(qū)動電路效率的主要是以下3個因素：HIP4081的靜態(tài)功耗；Vcc電源的動態(tài)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(dǎo)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(dǎo)通電阻為0.075 Ω,降低了導(dǎo)通損耗，提高了效率。

3.4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的考慮

（1） 該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用厚膜混合集成技術(shù)設(shè)計，如圖7所示，在具有高導(dǎo)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(shù)，將ALN基板與金屬外殼進行焊接，大大提高了電路的導(dǎo)熱能力和功率密度。

（2） 在圖7中，產(chǎn)品內(nèi)部全部有源器件采用裸芯片，通過混合集成電路的二次集成工藝技術(shù)，將元器件、ALN厚膜陶瓷基板以及金屬外殼組裝在一起。形成具有全密封金屬外殼、外形尺寸為32 mm×32 mm×7 mm的雙列直插式厚膜混合集成產(chǎn)品，大大縮小了體積，減少了產(chǎn)品內(nèi)部級連和焊點，提高了可靠性。

4 結(jié) 語

這里設(shè)計的厚膜H橋電機驅(qū)動電路經(jīng)過實際應(yīng)用表明：該電路不僅安全可靠地實現(xiàn)了電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速，提高了驅(qū)動電路和系統(tǒng)的可靠性，而且產(chǎn)品體積小，導(dǎo)熱性能好，效率高，能在惡劣的使用環(huán)境下安全工作，適合軍、民兩用。

參 考 文 獻

［1］Intersil.Application Note AN9325.3.2003.

［2］Intersil.HIP4081 Data Sheet.1996.

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［7］張崇巍,李漢強.運動控制系統(tǒng).武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2002.

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