嵌入之梦-关于直流电机 H 桥驱动方案的选择

一、 背景

此问题一直想留给做小车的同学去研讨，期望他们在制作过程中能够悟出其中的道理。可无奈等至今日也未见一文半字 : ( 却接到了无数的质询：你为何要用分立元件构建 H 桥驱动？为何不选择 L298 集成电路桥？为何要使用 MOS 管？等等……，逐个回复太累了，只好整理一下，汇总于此，供参考，有不妥之处望指正，更望能有人提出进一步的分析。

二、 分析内容界定

本文只涉及有刷直流电机 H 桥驱动部分的电路，不讨论如何控制 H 桥？如何实现 PWM？以及如何实现过流保护等；而且主要讨论构成 H 桥 4 个桥臂对性能的影响。

三、H桥原理简述

所谓 H 桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下：

从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“ H 桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。

从电路中不难看出，假设开关 A、D接通，电机为正向转动，则开关B、C接通时，直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。

借助这 4 个开关还可以产生电机的另外 2 个工作状态：
A） 刹车 —— 将B 、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。

B） 惰行 —— 4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。

以上只是从原理上描述了H 桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关（继电器）。

细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。

双极性晶体管构成的 H 桥：

MOS管构成的 H 桥：

以下就分析一下这些电路的性能差异。

四、几种典型 H 桥驱动电路分析

分析之前，首先要确定 H 桥要关注那些性能：
A） 效率 —— 所谓驱动效率高，就是要将输入的能量尽量多的输出给负载，而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能量，具体到H桥上，也就是4个桥臂在导通时最好没有压降，越小越好。

B） 安全性 —— 不能同侧桥臂同时导通；

C） 电压 —— 能够承受的驱动电压；

D） 电流 —— 能够通过的驱动电流。

大致如此，仔细考量，指标 B）似乎不是H桥本身的问题，而是控制部分要考虑的。而后两个指标通过选择合适参数的器件就可以达到，只要不是那些特别大的负载需求，每种器件通常都能选择到。而且，小车应用中所能遇到的电流、电压更是有限。只有指标 A）是由不同器件的性能所决定的，而且是运行中最应该关注的指标，因为它直接影响了电机驱动的效率。所以，经分析的重点放在效率上，也就是桥臂的压降上。

为了使分析简单，便于比较，将 H 桥的驱动电流定位在 2A 水平上，而电压在 5 - 12V 之间。

选择三个我所涉及到的器件：

A） 双极性晶体管 —— D772、D882

B） MOS管 —— 2301、2302

C） 集成电路H桥 —— L298

D772的压降指标如下：

D882的压降指标如下：

2301的压降指标如下：

因为MOS管是以导通电阻来衡量的，需要换算一下，小车的控制电压是4.5V，按上面的导通电阻计算，2A的压降应该是： 2* 0.093 = 0.186V，最大是：2 * 0.13 = 0.26V。

2302的压降指标如下：

同上换算一下，小车的控制电压是4.5V（电池电压），按上面的导通电阻计算，2A的压降应该是： 2* 0.045 = 0.09V，最大是：2 * 0.06 = 0.12V。

L298的压降指标如下：

表中第一行为上桥臂的压降，对应D772、2301，第二行为下桥臂的压降，对应D882、2302，第三行为两者之和。

对比一下不难看出，如果均以2A电流驱动计算，三种驱动自身所消耗的功率如下：

D772、D882 ： （0.5+0.5）* 2 = 2 W

2301、2302： (0.26+0.12) * 2 = 0.76 W

L298： 4.9 * 2 = 9.8 W

如果以驱动一个 4.5V 、2A 的直流电机为例：

电机得到的功率是： 4.5 *2 = 9W；

用 D772、D882 则需要供电 5.5V，效率为： 9/（5.5*2）= 81% ；

用 2301、2302 则需要供电 4.88V， 效率为：9 /（4.88*2）= 92%

用 L298 则需要供电 9.4V ，效率为： 9/（9.4*2） = 48 %

结论不言自明了吧！

从这组数据还可以看出三者的散热需求及其外形差异的原因。同时解释了圆梦小车开始使用 D772、D882 驱动时为何选用 3V 的 130 电机 ，因为小车是4节充电电池供电，只有4.8 ~ 5V，H 桥压降 1V，所以只能使用 3V 的电机。而改用MOS管驱动后，就选用了 4.5V 的 N20 电机，因为 MOS 管只带来了0.4V不到的压降。而分析L298 的压降你就会知道，如果你的电机需要2A左右的启动电流，那使用5V是根本无法工作的。

有一个同学托我代购了一片 L298，结果回去后说是电机只抖动不转，我问他使用几伏电压，他告诉我 5V : ( 我只好请他仔细阅读 L298 的资料。

实际上使用 L298 不只是驱动压降限制了电机的供电电压，它的控制电平要求也使得你几乎无法使用低于 6V 的工作电压，看如下信息：

表中Vs 为电机驱动的供电电压（ L298 分 2 路供电，一路是电机驱动的，就是 H 桥上的，一路是供给逻辑电路的），ViH 是指逻辑控制输入高电平。

此参数的含义是，电机驱动电压必须大于逻辑控制电平 2.5V，如果你的逻辑部分使用 5V 供电，那电机的供电电压至少 7.5V，否则将无法保证正常工作。除非你将逻辑控制电平降低。

很多同学用的都是 L298，建议你们仔细分析一下，看看自己的设计是否符合 L298 手册所规定的工作条件，也许很多现象都能自己解释了。

五、结语

制作小车只是一个过程，如果不能从过程中学到知识、锻炼技能，那即便小车做好了，也无价值。而阅读资料、看懂器件手册是一个工程技术人员最基本的素质。

有同学说，这些手册都是英文的: ( 可无奈啊! 这些东西都是人家设计、制造的，等到你们进入社会后，让世界上一半以上的器件都源自中国，那也许你们的后代不会再有此困惑。

可目前，你们如果要从事此行，是无法回避阅读英文资料的！现在有金山词霸，应该方便多了 ^_^

参考资料：

1、长江集团 D772 手册

2、长江集团 D882 手册

3、VISHAY 公司 Si2301ADS 手册

4、VISHAY 公司 Si2302ADS 手册

5、ST公司 L 298 手册