HIP4082电机驱动电路详解

一、原理图

以下内容是我在14届小白四轮组里使用到的驱动原理图，因为突然回顾以前做过的这个驱动电路，所以记录一下防止遗忘。以下只列出以下主要电路：

二、化简电路再做分析的前提

前提，我们先明确以下知识点，再来把无关器件省略掉，分析主干电路。

• MOS管导通的实质是对GS结电容充电，在上图所示的原理图我在G级串联一个电阻是为了限制充电速度，防止充电过快产生震荡。
• 栅极电阻一般串联一个10欧左右的电阻，GS级之间一般并联一个10K的电阻用来关断期间结电容的放电。
• 与MOS管并联的二极管是不必要的，因为MOS管内部集成了二极管，即体二极管。

在不考虑串联的10欧姆左右的电阻以及GS级并联的10K欧姆的电阻，还有MOS管外面另外并联的二极管，电路简化至下图作分析：

三、分析一下自己的理解

< 1 > 引脚说明

< 2 > MOS管的高端驱动和低端驱动

所谓的高边驱动或者低边驱动，指的是在电子电路驱动负载时，当需要控制开关时，开关所处电路的位置。“高”指的是“电源”，“低”指的是“地”。

低边驱动简单的理解为：负载的一端默认与电路的正级即电源保持连接，负载的另一端与开关连接，当开关导通时，负载的另一端与地连接，负载开始工作，当开关与关断时，负载的另一端与地断开，负载停止工作。低边驱动/开关英文：Low Side Drivers，简称为LSD。具体到使用MOS管作为开关的情况的时候，MOS管相对于负载在电势的低端，其中D通过负载接电源，S直接接地。

对于NMOS管，只有当Vgs大于开启电压时，MOS管才能导通。所以当未导通时，S处于一个不能确定的电位。若让Vgs大于开启电压，则DS导通，S确定为地电位，此时仍可以保证Vgs大于开启电压，保持DS导通。

对于PMOS管，只有到Vgs小于一个值，MOS才能导通。此时S处于一个不确定的电位。若让Vgs小于开启电压，即使导通了，S确定下降到地电位，就不能保证Vgs小于开启电压。

高边驱动简单的理解为：负载的一端默认与电路的负级即地保持连接，负载的另一端与开关连接，当开关导通时，负载的另一端与电源连接，负载开始工作，当开关与关断时，负载的另一端与电源断开，负载停止工作。高边驱动/开关英文：High Side Drivers，简称为HSD；具体到使用MOS管作为开关的情况的时候，MOS管相对于负载在电势的高端，其中D直接连接电源，S通过负载接地。

对于NMOS，只有当Vgs大于开启电压时，MOS管才能导通。所以当未导通时，S处于一个不能确定的电位。即使让Vgs大于开启电压，DS导通后，DS电位相等，同为电源电位，除非G极电位比电源电位还高，则不能保持导通状态。

对于PMOS，只有到Vgs小于一个值，MOS才能导通。此时S处于一个不确定的电位。若让Vgs小于开启电压，使DS导通，DS同为电源电位，还是能保持Vgs小于开启电压，是MOS保持导通状态。

总结：PMOS适合作为高端驱动，NMOS适合作为低端驱动。但是由于工艺等各方面的原因。在大电流情况下，通常仍把NMOS作为高端驱动。于是，为了保证高端驱动的NMOS的Vgs保持大于开启电压。我们会使用半桥驱动芯片。半桥驱动芯片把高端驱动的NMOS的S极作为参考地，输出一个恒定的开启电压，来控制MOS的导通。

< 3 > 电机驱动电路分析

如上图所示电机驱动原理图，我采用的是HIP4082全桥驱动芯片。将高端驱动的NMOS作为参考地。

因为我们是用的是NMOS管，所以当Ugs的电压大于开启电压，MOS管才被导通，而我在此处采用的自举的方式，输出一个恒定的开启电压，来控制MOS管导通。

下面解释一下，在HIP4082驱动芯片这边的自举电路原理：

首先BHS引脚里的HS指的是High S极，也就是上管Q5的S极，可以看到此处下管Q7的S极是接地的，所以如果下管Q7处于导通状态的时候，BHS引脚，也就是上管Q5的S极就相当于接地了，这时BHS的电压也就是上图Q5的S极的电压。
这个时候，外部电源通过自举二极管向自举电容充电。

在处于目前下管Q7导通，上管Q5关闭的状态的时候，此时外部电源通过二极管和自举电容给电容充电，然后BHB和BHO引脚处于短接状态，此时上端MOS管Q5导通。

我们先假设这里C10充满电就是12V，因为BHB和BHO短路，此时自举电容充的电就通过BHS举给了BHO，所以BHB和BHO的电压是一样的。然后此时Q5的S级接地，忽略掉R13的时候电压约为12V，相当于Vgs之间是接了一个恒定的电压来保持这里NMOS管的必然导通。此处就是通过自举出来一个恒定的电压来确保Vgs的电压大于MOS管的导通电压解决了上面提到的当NMOS为高端驱动时的导通状态不确定的问题。

经过以上环节之后，上管Q5导通，下管Q7关闭，此时BHB和BHO就不处于短接的状态了，由于电容充满电了，BHB的电压是比BHS的电压高的。此时我手绘了一下电路如下图：

以上就是自举电路的原理。

值得注意的是：

• 正是因为这里自举电容只能在下管Q7导通的时候充电，所以一般的NMOS桥驱动都不能输出百分之百的占空比。你可以这么理解，就是此时电容里的电是维持上管Q5持续导通的，比如我假设的这里电容充满电之后电压是12V，但是总有时候电容里的电是会放光的，此时自举电容电没了就举不动了，这个时候上管Q5就关闭了，而这个过程是慢慢的，可能会导致上管的G极电压出现非饱和区和截止区，造成上管gg，所以一般限制占空比最高在 $95\%到98\%$ 。然后上管Q5关闭之后，Q7导通，继续给电容重新充电。然后循环这个过程。
• 上图只是我们使用的某一款驱动芯片，下面列出的是通用解释自举电路内部原理的图，其中Vbs（驱动电路Vb和Vs管脚之间的电压差）给集成电路高端驱动电路提供电源。该电源电压必须在10-20V 之间，以确保驱动集成电路能够完全地驱动MOS栅极器件。Vbs电源是悬浮电源，附加在Vs电压之上（Vs通常是一个高频的方波）。有许多方法可以产生Vbs悬浮电源，其中一种如本文中介绍的自举方式。这种方式的好处是简单、低廉，但也有局限性。占空比和开通时间受限于自举电容的再充电（长时间导通和大占空比时要求有充电泵电路支持，详见AN-978C了解）：
  
• 对于含有自举电路的PCB布板方法，需要注意自举电容要尽可能靠近IC的管脚。如下图所示，至少有一个低ESR的电容提供就近耦合。例如：如果使用了铝电解电容做为自举电容，就应再用一个瓷电电容。如果自举电容是瓷电或钽电容，自己作为就地耦合也就足够了。

< 4 > 具体到通过PWM控制电机占空比

首先列出HIP4082芯片引脚的真值表：

首先看看DIS引脚，这个引脚的作用是控制芯片是否工作的。我当初接的是低电平，也就是芯片一直保持工作。但是它也可以接一个IO口，让GPIO输出高电平或者低电平来控制芯片是否工作。

再看BHO和BLO的引脚，我的理解是，B表示这个芯片控制的其中一个半桥的引脚开头字符，A就是另外一个半桥引脚的开头字符，H(high)表示的上管，L(low)表示的是下管，O表示的是ON，也就是打开的意思。通过真值表我们可以看到，这里以B开头的半桥引脚为例：

• 当BLI为高电平的时候，意思也就是比如我现在给的 $90\%$ 的占空比，他处于高电平的那段时间，此时无论BHI接的什么电平，此处接的是12V高电平，这个时候下管是关闭的，上管是导通的，也就是这段时间用来给电机以 $90\%$ 的占空比输出。
• 当BLI为低电平的时候，也就是 $90\%$ 占空比的另外 $10\%$处于低电平的时间段，若BHI为高电平的时候，此时上管关闭，下管导通，也就是这段时间去给自举电容充电。