H桥芯片 是一种用于控制电机的正反转、启停和速度的芯片,内部通常集成4个功率MOSFET,并排列成“H”字形电路结构,因此称为“H桥”。它是电机驱动中的核心器件。
1. 结构
我们以MPS的MPQ6614为例介绍一下H桥芯片,芯片的Block图如下,内部主要是由H桥、电荷泵、逻辑模块、驱动模块和电流采样模块构成。
一般的H桥都是如下结构,由四个NMOS构成,桥臂上端接电源VCC,下端接GND,引出左侧桥臂的中点做OUT1,右侧桥臂的中点做OUT2。
当需要电机正转时,控制Q1和Q4导通,电流正向流动,反转时,控制Q2和Q3导通,电流反向流动。
而电机需要停转时有两种方式,一种是让四个MOS都关断,电机线圈没有形成回路,自然旋转很长时间后自动停转或者反电动势高于VCC,电流通过MOS的体二极管消耗,实现类似快速制动的效果;另外一种是打开Q3和Q4两个下管,让电机线圈与GND形成回路,这种条件下电机旋转形成反向电动势抑制旋转,进入慢速制动的状态。
当然除了这四种控制模式外,还有些芯片会有其他的控制方式,例如将Q2和Q3常闭,通过PWM的高电平直接控制Q1与Q4导通实现正传,PWM的低电平直接将Q1和Q4也关闭,这样电流就通过Q2和Q3的体二极管回流快速消耗电流实现快速制动;反过来就是电机反转和反转快速制动
而下图则是先正转(Q1与Q4打开,Q2与Q3关断)然后超快速制动(Q1和Q4关断,直接打开Q2和Q3,MOS导通内阻低阻碍更小所以电流消耗更快)最后反转(Q2与Q3保持开启)的示意图:
4.H桥的关键参数
H桥有一些关键参数要注意
常规的如下:
工作电压范围,最大输出电流,导通电阻,PWM频率
关键的参数:死区时间
死区时间是为了防止上下桥臂MOS同时导通设置的延时时间,即使输入没有死区,芯片内部也会添加一个死区出来,芯片设置的通常是几十到几百纳秒
而死区时间也不是越长越好,因此选型要注意。
- 死区时间太短 → 有可能上下MOS同时导通,形成短路。
- 死区时间太长 → 导致输出波形畸变,效率降低,死区损耗增加。