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电机驱动方案 - IR2104S

本电机驱动方案基于半桥驱动芯片 IR2104S 与 AP30H80K N-MOS 管，用于 IR2104S 供电的外部稳压器采用 XL2009E1 方案。

项目仓库：Collection_of_Motor_Driver_Design/DC_Motor/IR2104S

项目在线预览：

基本参数

  • 输入
    • VM：输入 12-36V，给电机供电的电源，根据 XL2009E1、IR2104S 与 AP30H80K 的参数而确定）。
    • VCC_3V3：输入 3.3-5V，外部输入的 H 桥系统工作电压，根据逻辑芯片 SN74LVC1G08DCKR 的参数而确定）。
    • IN1/IN2：外部逻辑输入，高低电平电压推荐跟随 VCC_3V3 而定，真值表见下文。
    • PWM：PWM 输入，高低电平电压与 IN1/IN2 的电压保持一致。
    • SD：默认内部下拉，低电平有效（使 IR2104S 半桥芯片关断），外部输入高电平（VCC_3V3 电压）开启 IR2104S。
  • 输出
    • M+/M-：接外部电机。
    • VCC_12V：板载 XL2009E1 电路稳压输出，作为备用供电输出。

电机驱动模块在使用时，H 桥系统需要跟外部控制器共地。

本方案逻辑控制的真值表如下：

SD IN1 IN2 PWM 电机状态
0 x x x 滑行
1 1 0 1 正转
1 0 1 1 反转
1 1 1 x 刹车
1 0 0 x 刹车
1 x x 0 刹车

基本原理

逻辑电路

驱动一个电机，需要用到两对半桥电路，组成一个 H 桥全桥电路。为了能根据真值表来控制电机的状态，这里使用两个与门电路，使外部输入 PWM 信号与 IN1/IN2 做与运算，并将结果（PWMA/PWMB）传给 IR2104 的 IN 引脚。逻辑芯片的电源输入并联一个 100nF 电容去耦。

稳压电路

稳压电路基于 XL2009E1 Buck 芯片搭建，其功能是将外部动力电源输入稳压为 12V，为 IR2104S 芯片供电（其供电范围是 10-20V）。

稳压模块的设计可以跳转文章 电源方案（Buck）- XL2009E1，此处不多赘述。

半桥驱动电路

电机驱动的基础知识可以跳转文章 直流有刷电机驱动的设计，此处不多赘述。

IR2104S 是英飞凌的一款半桥驱动芯片。其主要参数如下：

  • 高达 +600V 的浮动自举耐受电压
  • 10-20V 的栅极驱动供电电压
  • 兼容 3.3V/5V/15V 逻辑输入电平
  • 其他特性：
    • 欠压锁定
    • 集成死区时间控制
    • 交叉传导预防逻辑
    • 上管与逻辑输入同相位
    • 关断时上下管都关断
    • 上下管的传播延迟匹配

内部框图：

典型应用原理图：

在此方案中，IR2104S 的供电为 12V，并联一个 100nF 输入去耦电容。IN 为逻辑输入引脚，输入高于 3V 即视为高电平、低于 0.8V 为低电平。通过逻辑芯片运算输出的 PWMA/PWMB 高低电平信号，可以控制上下管开启与关断。SD 为外部关断输入（低电平有效）。IN 与 SD 混合输入，对应上下管栅极引脚 HO/LO 状态时序图如下：

可以看到，如果 IN 输入高电平，则上管栅极给高电平开启、下管栅极给低电平关断，反之亦然。如果 SD 检测到低电平，则无论 IN 输入电平高低，上下管都将拉低关断。

为了防止同一半桥上下管射穿（shoot-through），IR2104S 集成了死区控制。死区时间控制时序图如下：

其中，DT 的典型值为 520ns。

上下管开启/关断传导延迟时序图：

其中，\(t_{on}\) 典型值为 680ns，\(t_{off}\) 典型值为 150ns。

因为方案使用的都是 N-MOS 管（导通条件是 \(V_g-V_s>V_{gs(th)}\)），所以需要有一个高侧浮压自举电路，才能正常开启上管。此方案使用一个 1uF/50V 的 MLCC 电容，跨接 VM 与 VB 引脚，使 HO 引脚高电平电压高于 N-MOS 的 \(V_{GS(th)}\)，即 IR2104S 供电电压减去二极管正向导通压降，使上管能够正常导通。

MOS 管的选型需要考虑到 \(V_{DSS}\) 、\(V_{gs(th)}\)、\(I_D\) 和 \(R_{DS(on)}\) 这几个参数。\(V_{DSS}\) 的确定是根据驱动电机的电压加上足够的余量；\(I_D\) 根据应用的要求加上足够余量；\(R_{DS(on)}\) 越小越好。综合考虑参数和价格，本方案选用 AP30H80K。

衰减模式的设计，因为 IR2104S 没有集成同步衰减，所以我们选用 SS34 肖特基二极管做异步衰减。

参考与致谢

原文地址：https://wiki-power.com/
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