【专题6：mcu硬件电路设计】 之 【14.案例二：使用两个引脚(高低电平)实现电机的正反转】

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1.方案一原理图

2.分析

   N型三极管作为开关管用，E即必须接地；P型三极管作为开关管用，E即必须接电源。
   Q4起一个反相作用。

   (1)当A为高电平时，Q5导通；Q2也导通，Q2的C极被钳位在0.3V，故Q1也会导通；即，电流的流向：电源–>Q1–>电机–>Q5–>地，电机正转。

   (2)当B为高电平时，Q4导通，Q4的C极被钳位在0.3V，故Q3也会导通；同时Q6导通，电流的流向：电源–>Q3–>电机–>Q6–>地，电机反转。

   (3)Q1和Q5以及Q3和Q6都是反逻辑，增加一个N型三极管，即可用一个引脚实现两种逻辑。

   (4)R6和R2电阻的作用：
   如果没有该电阻，讲解R6：Q4的C极被钳位在0.3V，而Q3的B极和E极之间的电压为0.7V，即电源–>Q3–>Q4–>地之间的电压为1V，电源直接被短路。一上电，Q3和Q4都会被烧毁；R2同理。所以必须加上R2和R6起限流作用，让电流在1mA左右。

3.桥式电路和死区时间

   如图所示的电路称为桥式电路，a、b、c、d都是开关，即三极管，在同一时刻，要么a、d闭合；要么b、c闭合；a和c、b和d不能同时闭合。a和c称为一个桥路，b和d称为一个桥路。

4.桥式电路知识点

   (1)以一个桥路为例：因为a是P管，c是N管，N管的开关速度比P管的开关速度快，假设a从断开的瞬间到a完全断开需要10mA，c从闭合的瞬间到完全闭合需要2mA，那么a和c就有8mA的时间是同时闭合的，即出现了蹿红现象(如果a和c同时闭合，称为蹿红现象，蹿红现象不会时三极管烧毁，因为同时开关的时间很短，但三极管会发热)。

   (2)避免蹿红的方法：让a断开之后，再进过一段时间的延时，然后再闭合c，即在a断开到c闭合之间再加一个延时时间，延时时间内a和c都断开，a和c都断开的时间(延时时间)被称为死区时间。在死区时间内，四个管子都关闭。死区时间也就是延时时间，在这段延时时间内，四个管子都关闭。死区可以通过软件实现，譬如使用定时器实现，也可以直接使用硬件/电容来实现延时。

   (3)总结：
   在控制电机正反转的时候，a、b、c、d四个管子都断开的时间，称为死区时间；因为三极管的导通和关闭都需要一段时间，为了避免出席那蹿红现象，因此需要有死区时间。

   (4)电机的状态：供电正转(状态A)—>断电正转(状态B,由于惯性)---->停(状态C)----->供电反转(状态D)---->…断电瞬间，也就是从状态B到状态D（供电瞬间），这段时间四个管子都是关断的，目的是为了让电机完全停下来，这段时间就是死区时间，不同的电机的死区时间不一样，要根据电机来调。

5.使用电容搭建延时电路

原理：
   (1)软件可以使用定时器或循环语句来作为延时；在硬件中，可以使用电容来作为延时器件（电容充电到阈值电压(能使三极管导通的电压)需要时间，将这一段时间作为延时时间）。

A点的电压波形，B点波形如下图的下面部分所示。

注：t3就是延时时间，t3=R*C；即延时时间和R与C的大小有关。

• 如果电机没有完全停下来来，在电机还在正转的过程中，就给一个反向的电压，就会在电机的两端产生一个很高的di/dt,电机会发热。所以一定要让电机完全停下来，才能开始反转。
• T一定时，需要R和C的大小进行配合。如果R太大，则流过三极管B极的电流就会小，如果R太小，那么就需要比较大的电容，但是大电容又比较贵。

   (2)一上电时，电源给电容C充电，如果元器件B为12V导通/工作，这样的延时电路是可行的。但如果B是一个三极管，那么在A点电压从0V充到0.7V的过程中，三极管处于放大状态，也有微弱的CE电流，所以没有达到延时的效果。
而对于1.2.3.5节的电路(改进方案四:加上RC滤波电路)，该电路在给电容冲到阈值电压的过程中，三极管也是处于放大状态，即4.7us之后，电压才为12V，在电压增大到0.7v的过程中，三极管处于放大状态；但处于放大状态的时间特别短，而且电流太小，电机也不会转动，所以没有问题。但如果是为了解决蹿红现象，那么延时电路就必须精确。可以加入一个稳压管（只有达到稳压管的阈值电压之后，电路才会导通）。要理解下面的电路为什么需要加上一个稳压管。

6.方案一改进：加上延时电路，防止出现蹿红现象。

原理图

   在最前面的两个输入端，各加上该延时电路。系统一上电，A点的电压从0开始增加，只有当A点的电压大于5.6V时，才会有电流流过该稳压管，进而流过三极管。A点电压从0V到5.6V的时间段，即为延时时间。延时时间(估算)=电阻阻值电容容值=20.47=0.94ms。

   假设这个电机的死区时间是500us。我们需要让A点电压达到5.7V的时间为500us，根据电容的充电公式，可以计算出时间常数(R*C)，然后通过R和C的配比来确定电容和电阻大小。（电阻大，则流过三极管b极的电流就会小；电阻小，就需要大一点的电容，大的电容价格比较高）。

7.方案一改进二：开通慢，关断快的电路实现

   桥式电路要有一个特点：导通慢(导通慢一点，让电机尽可能停下来)，关断快（防止出现蹿红现象），确保桥式电路有一个死区。因为前面有一个RC延时电路，R的前面有一个两位开关，开关一会打到A，一会打到B；如下图

   当开关关断的时候，要想三极管关断快，就需要让电容中的电压放电快，也就是在延时电路的前面需要加上放电电路，即加上1.2.3.8.3节的放电电路。

8.开通慢，关断快电路的另一种实现

   分析：
   当下面的开关断开时，上面的开关开始导通，在稳压管的电压没有达到5.6V时，因为下面的N型三极管导通电压只要0.7V，所以它很快就能导通，电容即可通过三极管放电。即三极管的阈值电压比稳压管的阈值电压低很多，所以在稳压管没有导通之前，三极管先导通，即下面的充电电容在稳压管没有导通之前就会放完所有的电。

   注意：
   上图只是画了一半，即只画了上面放电电路；下面的放电电路没有画，下面的放电电路同理。

9.进一步优化

   电机类似电感，在开关断开的时候会有自感，所以要加上电路通路，让自感电流流通，防止烧毁三极管元器件。即在每个三极管上加一个反向二极管。

   注：
   COMS管在制造的时候就已经加了一个反向二极管对它进行保护，所以使用CMOS管的时候就不用加；使用普通的三极管需要加。