基于CS4124的脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭盛杰

(山西國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠，山西 太原 030024)

2017-07-12

郭盛杰(1985- )，男，山西太原人，工程師,研究方向:自動(dòng)化控制。

1674- 4578(2017)05- 0003- 03

基于CS4124的脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭盛杰

(山西國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠，山西 太原 030024)

介紹了一種基于電機(jī)控制專用集成電路CS4124芯片的脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)模塊接收0～5V模擬信號(hào)后，通過驅(qū)動(dòng)控制電路將其轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)，再由場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。該模塊具有輸出穩(wěn)定、性能可靠，具備過壓、過流、過熱保護(hù)等特點(diǎn)。

CS4124；驅(qū)動(dòng)模塊；PWM

近年來，隨著電機(jī)控制專用集成電路的出現(xiàn)，使電機(jī)控制領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)更為方便、快捷。這些電路大多為模擬數(shù)字混合集成電路，它的使用大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，降低了生產(chǎn)成本，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，因而近年來發(fā)展很快。本文基于電機(jī)控制專用集成電路CS4124，設(shè)計(jì)出一款脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊。

1 脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊的組成

脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊組成框圖如圖1所示，由驅(qū)動(dòng)控制電路、光隔使能電路、線性光隔電路、保護(hù)電路等組成。

圖1 組成框圖

2 脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

2.1 脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊工作原理

為提高產(chǎn)品的抗擾能力，驅(qū)動(dòng)模塊將接收的0 V～5 V模擬輸入信號(hào)，經(jīng)線性光隔后送入驅(qū)動(dòng)控制電路，使能信號(hào)經(jīng)光隔使能電路后觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制電路，驅(qū)動(dòng)控制電路輸出PWM信號(hào)激勵(lì)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行功率放大，最終驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行的目的。脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊具有過電流、過電壓等保護(hù)功能。

2.2 電機(jī)控制集成電路芯片的選擇

選擇好電機(jī)控制專用集成電路對(duì)脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊至關(guān)重要。根據(jù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)功能及電機(jī)的速度、電流、控制方式等指標(biāo)要求，考慮提高產(chǎn)品的可靠性、抗干擾能力，縮短產(chǎn)品研制周期等特點(diǎn)，本文采用了ON Semiconductor公司的CS4124電機(jī)控制專用集成電路作為驅(qū)動(dòng)模塊控制電路的核心。

2.3 集成電路CS4124工作原理

集成電路CS4124采用DIP16封裝，設(shè)計(jì)使用電壓為30 V(最大40 V)，主要用于永磁直流電機(jī)的速度控制。CS4124接收0 V～5 V模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換成PWM輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率管MOSFET或IGBT。它具有故障診斷，以關(guān)閉外接功率管。

1) 特點(diǎn)

峰值電流150 mA的PWM柵極驅(qū)動(dòng)輸出；

100%占空比控制能力；

專利的電壓補(bǔ)償電路；

低電流的休眠模式；

內(nèi)置升壓電源。

2) CS4124電路引腳功能說明

CS4124各引腳功能說明如表1所示。

表1 引腳功能說明

2.4 CS4124各電路說明

1) 振蕩器:電路振蕩器產(chǎn)生一個(gè)恒頻三角波，其頻率由端子ROSC和COSC引入的外接元件決定。改變外接元件，頻率可在15 Hz～25 kHz內(nèi)選擇。取值為93.1 kΩ和470 pF時(shí)，可得到約20 kHz頻率。三角波的峰值和谷值分別是0.7 VCC和0.1 VCC，與電源VCC電壓成正比，具有電壓補(bǔ)償功能。

2) 電壓PWM占空比轉(zhuǎn)換:電路采用安森美公司的專利技術(shù)，將CTL端輸入電壓轉(zhuǎn)換為OUTPUT

端的占空比變化。

3) 電流檢測(cè)和故障定時(shí)保護(hù):在Isense+和Isense-端連接電流檢測(cè)電阻Rsense，其上的電壓和IADJ端的設(shè)置電壓進(jìn)行比較，使負(fù)載電流限定在ILIM之內(nèi)。在PWM控制時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)，由于某種故障原因，流過MOSFET的電流超過ILIM，內(nèi)部鎖存器動(dòng)作，MOSFET被關(guān)斷。下一個(gè)周期開始，鎖存器翻轉(zhuǎn)，返回正常狀態(tài)。如果故障連續(xù)出現(xiàn)，F(xiàn)LT腳的電容CFLT充電達(dá)到2.4 V,故障鎖存器動(dòng)作，使MOSFET保持關(guān)斷，直至電容CFLT放電到0.6 V為止，這段時(shí)間使器件得到冷卻。

4) 升壓電源：CS4124有一個(gè)升壓電源，它使給外接MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的電位比Vcc高出5 V。為此，使用三個(gè)引腳BOOST、PMP和SNI。PMP腳接內(nèi)部達(dá)林頓NPN管的集電極，它導(dǎo)通時(shí)給外電感充電。BOOST腳接充電電容。SNI腳是NPN管的發(fā)射極，連接外面的RSNI電阻。這個(gè)升壓電源受振蕩器控制。RSNI腳的電阻4.0 Ω，接BOOST腳的齊納二極管用9 V。

5) 休眠模式:當(dāng)控制CTL腳低于0.5 V，芯片進(jìn)入休眠模式，全部功能被禁止。

CS4124電路框圖如圖2所示。

圖2 電路框圖

2.5 CS4124外圍電路設(shè)計(jì)

CS4124外圍電路見圖3。

CS4124接收隔離后的模擬量輸入信號(hào)及使能信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)控制電路將其轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)，再由外接場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，被控電機(jī)接OUT+和OUT-，從而達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行的功能。脈寬直流驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊具有過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)功能。外接直流電源到VCC之間串接10 Ω電阻，對(duì)電源接入瞬間的沖擊電流進(jìn)行限制。

設(shè)計(jì)中模擬輸入電壓信號(hào)的隔離，主要采用Agilent公司的線性光隔HCNR201。線性光隔真正隔離的是電流，為隔離電壓，在其輸入、輸出端增加運(yùn)算放大器等輔助電路。見圖4。

圖3 外圍電路

圖4 線性光隔

使能輸入信號(hào)的隔離電路采用TLP521，見圖5。

圖5 光隔使能電路

為增加系統(tǒng)可靠性，需采取電流保護(hù)措施，在CS4124的Isense+和Isense-端連接電流檢測(cè)電阻Rsense，其上的電壓和IADJ端的設(shè)置電壓進(jìn)行比較，使負(fù)載電流限定在ILIM之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。

見圖6。

圖6 過流保護(hù)電路

3 結(jié)束語

本文給出了以CS4124為驅(qū)動(dòng)控制電路核心的脈寬直流驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)方法，介紹了其芯片功能、原理及硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法。該設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠、快速靈活地完成電機(jī)的控制，已成功應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。

[1] 譚建成.新編電機(jī)控制專用集成電路與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2006.

DesignandApplicationofPulseWidthDCDriveModuleBasedonCS4124

Guo Shengjie

(State-ownedDazhongMachineryFactory,TaiyuanShanxi030024,China)

This paper introduces a design of pulse width DC drive module based on the chip of motor control ASIC CS4124. Drive module receives 0～5V analog signals, which are converted to PWM by means of the drive control circuit, and the DC motor is driven by the field effect tube. The driver has the characteristics of stable output, reliable performance, overvoltage protection, over heating protection, over-current protection and so on.

CS4124；drive module；PWM

TP29

A