半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2104S典型電路設(shè)計(jì)方案

在H橋驅(qū)動(dòng)電路中，一共需要4個(gè)MOS管。而這四個(gè)MOS管的導(dǎo)通與截止則需要專門(mén)的芯片來(lái)進(jìn)行控制，即要介紹的半橋/全橋驅(qū)動(dòng)芯片。 ????

所謂半橋驅(qū)動(dòng)芯片，便是一塊驅(qū)動(dòng)芯片只能用于控制H橋一側(cè)的2個(gè)MOS管：1個(gè)高端MOS和1個(gè)低端MOS。因此采用半橋驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，需要兩塊該芯片才能控制一個(gè)完整的H橋。 ????

相應(yīng)的，全橋驅(qū)動(dòng)芯片便是可以直接控制4個(gè)MOS管的導(dǎo)通與截止，一塊該芯片便能完成一個(gè)完整H橋的控制。 ????

這里使用的IR2104便是一款半橋驅(qū)動(dòng)芯片，因此在原理圖中可以看到每個(gè)H橋需要使用兩塊此芯片。

1 典型電路設(shè)計(jì)

2 引腳功能

VCC為芯片的電源輸入，手冊(cè)中給出的工作電壓為10~20V。（這便是需要boost升壓到12V的原因）

IN和SD作為輸入控制，可共同控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)（轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和是否轉(zhuǎn)動(dòng)）。

VB和VS主要用于形成自舉電路。（后續(xù)將詳細(xì)講解）

HO和LO接到MOS管柵極，分別用于控制高端和低端MOS的導(dǎo)通與截止。

COM腳直接接地即可。

3 自舉電路 ????

此部分是理解該芯片的難點(diǎn)，需要進(jìn)行重點(diǎn)講解。從上面的典型電路圖和最初的設(shè)計(jì)原理圖中均可發(fā)現(xiàn)：該芯片在Vcc和VB腳之間接了一個(gè)二極管，在VB和VS之間接了一個(gè)電容。這便構(gòu)成了一個(gè)自舉電路。 ??

?作用：在高端和低端MOS管中提到過(guò)，由于負(fù)載（電機(jī)）相對(duì)于高端和低端的位置不同，而MOS的開(kāi)啟條件為Vgs>Vth，這便會(huì)導(dǎo)致想要高端MOS導(dǎo)通，則其柵極對(duì)地所需的電壓較大。

????補(bǔ)充說(shuō)明：因?yàn)榈投薓OS源極接地，想要導(dǎo)通只需要令其柵極電壓大于開(kāi)啟電壓Vth。而高端MOS源極接到負(fù)載，如果高端MOS導(dǎo)通，那么其源極電壓將上升到H橋驅(qū)動(dòng)電壓，此時(shí)如果柵極對(duì)地電壓不變，那么Vgs可能小于Vth，又關(guān)斷。因此想要使高端MOS導(dǎo)通，必須想辦法使其Vgs始終大于或一段時(shí)間內(nèi)大于Vth（即柵極電壓保持大于電源電壓+Vth）。 ??

??首先看下IR2104S的內(nèi)部原理框圖（來(lái)源于數(shù)據(jù)手冊(cè)）。此類芯片的內(nèi)部原理基本類似，右側(cè)兩個(gè)柵極控制腳（HO和LO）均是通過(guò)一對(duì)PMOS和NMOS進(jìn)行互補(bǔ)控制。

自舉電路工作流程圖

???以下電路圖均只畫(huà)出半橋，另外一半工作原理相同因此省略。 ?

???假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的開(kāi)啟電壓Vth=6V（不用LR7843的2.3V，原因后續(xù)說(shuō)明）。 ???

?第一階段： ????首先給IN和SD對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，使HO和LO通過(guò)左側(cè)的內(nèi)部控制電路（使上下兩對(duì)互補(bǔ)的PMOS和NMOS對(duì)應(yīng)導(dǎo)通），分別輸出低電平和高電平。此時(shí)，外部H橋的高端MOS截止，低端MOS導(dǎo)通，電機(jī)電流順著②線流通。同時(shí)VCC通過(guò)自舉二極管（①線）對(duì)自舉電容充電，使電容兩端的壓差為Vcc=12V。

????第二階段： ????此階段由芯片內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生，即死區(qū)控制階段（在H橋中介紹過(guò)，不能使上下兩個(gè)MOS同時(shí)導(dǎo)通，否則VM直接通到GND，短路燒毀）。HO和LO輸出均為低電平，高低端MOS截止，之前加在低端MOS柵極上的電壓通過(guò)①線放電。

????第三階段： ????通過(guò)IN和SD使左側(cè)的內(nèi)部MOS管如圖所示導(dǎo)通。由于電容上的電壓不能突變，此時(shí)自舉電容上的電壓（12V）便可以加到高端MOS的柵極和源極上，使得高端MOS也可以在一定時(shí)間內(nèi)保持導(dǎo)通。此時(shí)高端MOS的源極對(duì)地電壓≈VM=7.4V，柵極對(duì)地電壓≈VM+Vcc=19.4V，電容兩端電壓=12V，因此高端MOS可以正常導(dǎo)通。 ????

此時(shí)，自舉二極管兩端的壓差=VM，因此在選擇二極管時(shí)，需要保證二極管的反向耐壓值大于VM。

????注意：因?yàn)榇藭r(shí)電容在持續(xù)放電，壓差會(huì)逐漸減小。最后，電容正極對(duì)地電壓（即高端MOS柵極對(duì)地電壓）會(huì)降到Vcc，那么高端MOS的柵源電壓便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V < Vth=6V，高端MOS仍然會(huì)關(guān)斷。

????補(bǔ)充總結(jié)： ????因此想要使高端MOS連續(xù)導(dǎo)通，必須令自舉電容不斷充放電，即循環(huán)工作在上述的三個(gè)階段（高低端MOS處于輪流導(dǎo)通的狀態(tài)，控制信號(hào)輸入PWM即可），才能保證高端MOS導(dǎo)通。自舉二極管主要是用來(lái)當(dāng)電容放電時(shí)，防止回流到VCC，損壞電路。 ????

但是，在對(duì)上面的驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，不需要令其高低端MOS輪流導(dǎo)通也可以正常工作，這是因?yàn)榧词棺耘e電容放電結(jié)束，即高端MOS的柵源電壓下降到4.4V仍然大于LR7843的Vth=2.3V。 ????那么在上述驅(qū)動(dòng)板中，自舉電路就沒(méi)有作用了嗎?當(dāng)然不是，由于MOS管的特性，自舉電路在增加?xùn)旁措妷旱耐瑫r(shí)，還可令MOS管的導(dǎo)通電阻減小，從而減少發(fā)熱損耗，因此仍然建議采用輪流導(dǎo)通的方式，用自舉電容產(chǎn)生的大壓差使MOS管導(dǎo)通工作。

4 控制邏輯 ????

時(shí)序控制圖：

????簡(jiǎn)單看來(lái)，就是SD控制輸出的開(kāi)關(guān)（高電平有效），IN控制柵極輸出腳的高低電平（即H橋MOS管的開(kāi)關(guān)）。 ????在最上面的驅(qū)動(dòng)板中，SD接到VCC，即處于輸出常開(kāi)狀態(tài)。只需要對(duì)IN腳輸入對(duì)應(yīng)控制信號(hào)即可進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 ?

???上面為半橋的驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)一個(gè)H橋要同時(shí)對(duì)兩個(gè)IR2104進(jìn)行控制。 ????以上面設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為例，驅(qū)動(dòng)真值表：