基于功率MOSFET的H桥PWM DC电机驱动器

H桥（全桥）驱动器在驱动有刷直流电机等负载方面非常流行，并且已广泛用于机器人技术和工业中。使用H桥驱动器的主要优点是效率高，旋转方向变化和制动电动机。我介绍了使用四个IR3205功率MOSFET和两个IR2104 MOSFET驱动器的完整H桥直流电动机驱动器。从理论上讲，上述MOSFET可以处理高达80 A的电流；但是，实际上，如果使用大型散热片甚至风扇将MOSFET的温度保持在尽可能低的水平，我们可以期望获得高达40 A的电流。

电路分析

图1显示了H桥直流电动机驱动器的示意图。显而易见，电路的核心是两个IR2104 MOSFET驱动器芯片。

图1：H桥直流电动机驱动器的示意图

我选择了4 IR32051进行切换。该MOSFET具有出色的特性，这对于该应用至关重要，RDS（on）非常低电阻和高电流处理能力。根据IRF3205数据表：“ International Rectifier的高级HEXFET功率MOSFET利用先进的处理技术来实现极低的每硅面积导通电阻。这项优势与HEXFET功率MOSFET众所周知的快速开关速度和坚固耐用的器件设计相结合，为设计人员提供了一种极其有效和可靠的器件，可广泛用于各种应用中。TO-220封装是所有商业工业应用的通用首选，其功耗水平约为50W。TO-220的低热阻和低封装成本使其在整个行业中得到广泛认可。”

我选择了两个IR21042来驱动MOSFET。根据IR2104数据表：“ IR2104（S）是高压，高速功率MOSFET和IGBT驱动器，具有相关的高端和低端参考输出通道。专有的HVIC和抗闩锁CMOS技术可实现坚固的单片结构。逻辑输入与标准CMOS或LSTTL输出兼容，低至3.3V逻辑。输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级，旨在最大程度地减少驱动器交叉导通。浮动通道可用于驱动高端配置中的N通道功率MOSFET或IGBT，其工作电压为10至600V。”

关于IR2104的好消息是该芯片与3.3V和5V逻辑电平兼容。图2显示了该芯片的基本接线图。显然，芯片和负载（电机）的供应不需要相同；但是，两种电源具有相同的基础。

图2：IR2104 MOSFET驱动器芯片的接线图

C1，C3，C4，C5，C6，C7和C9已用于降低噪声。R1和D2，R2和D3，R3和D8，R4和D9已被用来抑制在MOSFET导通/关断时电感器和电容器可能引入的振铃和寄生效应。别忘了MOSFET在其栅极引脚上引入了电容。1N4148二极管使栅极电容器放电。

D4，D5，D6和D73用于抑制直流电动机的反向电流尖峰。内部反向肖特基二极管已嵌入MOSFET中。但是，使用这些外部肖特基二极管还可以减少内部二极管上的应力。根据数据表和应用要求选择C2，C8，D1和D10。

P1是五针XH连接器，用于将芯片的电源和控制信号施加到板上。K1是KF45电源连接器，用于将电动机和电动机的电源线连接到板上。

PCB布局

图3显示了H桥DC电机驱动器的PCB布局。它是两层PCB板，所有组件封装均为通孔。

图3：H桥直流电机驱动器的PCB布局

图4从顶部和底部显示了PCB板的3D视图。

图4：板顶部和底部的3D视图

我没有IR21044和IRF32055（组件库）的原理图符号和PCB占用空间，因此我使用了SamacSys组件库，并使用SamacSys Altium Designer插件安装了缺少的库（图5）。SamacSys已为几乎所有著名的电子设计软件提供了插件（图6）。有趣的是，所有服务都是免费的，图书馆遵循IPC标准。您只需要下载并使用自己喜欢的CAD插件即可。6另一个选择是从ComponentSearchEngine.com下载库并导入它们。

图5：SamacSys Altium插件中的选定组件

图6：SamacSys插件支持的电子设计CAD软件

载流板没有完全被阻焊剂覆盖。这使您可以通过焊接或使用一些粗铜线来加强轨道。图7显示了这些部分暴露的轨道。

图7：部分暴露的高电流载PCB走线

组装和测试

图8显示了组装好的单元，图9显示了测试环境。我已将Arduino Uno编程为控制电机驱动器板。我还在原型板上构建了一个简单的键盘，以便能够更改速度（使用PWM）和电动机的旋转方向。

图8：组装好的H桥直流电动机驱动器

图9：直流电动机驱动器板，Arduino Uno和测试台

所有按钮均为低电平有效，并使用Arduino的内部上拉电阻。您可以考虑以下Arduino代码：

#include

int PWM_Value;

字节Enable_Pin = 13;

字节PWM1_Pin = 11;

字节PWM2_Pin = 10;

字节PWM_Pin = 11;

向上按钮（9，25，true，true）;

按下按钮（8，25，true，true）;

向左按钮（7，25，true，true）;

向右按钮（6，25，true，true）;

void setup（）{

pinMode（Enable_Pin，OUTPUT）;

pinMode（PWM1_Pin，输出）;

pinMode（PWM2_Pin，输出）;

UP.begin（）;

Down.begin（）;

Left.begin（）;

Right.begin（）;

digitalWrite（Enable_Pin，LOW）;

PWM_Value = 0;

AnalogWrite（PWM1_Pin，PWM_Value）;

AnalogWrite（PWM2_Pin，PWM_Value）;

}

无效循环（）

{

digitalWrite（Enable_Pin，HIGH）;

UP.read（）;

Down.read（）;

Left.read（）;

Right.read（）;

如果（UP.wasReleased（）&& PWM_Value <250）

{

PWM_Value + = 5;

}

如果（Down.wasReleased（）&& PWM_Value> 5）

{

PWM_Value-= 5;

}

如果（Left.wasReleased（））

{

PWM_Pin = PWM1_Pin;

AnalogWrite（PWM2_Pin，0）;

}

如果（Right.wasReleased（））

{

PWM_Pin = PWM2_Pin;

AnalogWrite（PWM1_Pin，0）;

}

AnalogWrite（PWM_Pin，PWM_Value）;

}

物料清单

图10显示了物料清单。

图10：H桥直流电动机驱动器的物料清单

编辑：hfy