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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:

SDIN1IN2PWM电机状态
0xxx滑行
1101正转
1011反转
111x刹车
100x刹车
1xx0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,tont_{on} 典型值为 680ns,tofft_{off} 典型值为 150ns。

因为方案使用的都是 N-MOS 管(导通条件是 VgVs>Vgs(th)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 VGS(th)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 VDSSV_{DSS}Vgs(th)V_{gs(th)}IDI_DRDS(on)R_{DS(on)} 这几个参数。VDSSV_{DSS} 的确定是根据驱动电机的电压加上足够的余量;IDI_D 根据应用的要求加上足够余量;RDS(on)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

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
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