PCB技術 - モータドライバ回路設計PCB推奨

直流モータ駆動回路の設計目標

直流モータ駆動回路の設計において、主に以下の点を考慮する：

1.機能：モータは単方向ですか、双方向ですか。速度を調整する必要がありますか。一方向モータ駆動の場合、大電力三極管またはmosFEttまたはリレーは直接モータを駆動することができる。モータが双方向回転を必要とする場合は、4つのパワーPCB素子からなるhブリッジ回路を用いてもよいし、双極双投リレーを用いてもよい。速度調整が必要でなければ、リレーを使えばいい。しかし、速度が必要な場合は、三極管、fET、その他のスイッチング素子を使用してPWM（パルス幅変調）速度を実現することができます。

2.性能：PWMモータ駆動回路に対して、主に以下の性能指標がある。

1）電気回路がどの程度の電力を駆動できるかを決定する出力電流と電圧範囲。

2）高効率、高効率は省電力を意味するだけでなく、駆動回路の発熱を減らすことを意味する。回路の効率を高めるために、電源装置のスイッチング状態を保証し、共通状態のオンを防止することができます（Hブリッジやプッシュプル回路に問題が発生する可能性があります、つまり2つの電源装置が同時に電源を短絡する）。

3）制御入力への影響。電源回路の入力は、高電圧と高電流が主制御回路に入るのを防ぐために良好な信号分離を持つべきであり、主制御回路は高入力インピーダンスまたはフォトカプラによって分離することができる。

4）電源への影響。コモンモードオンは電源電圧を瞬間的に低下させ、高周波電源汚染を引き起こす。大電流は接地線の変動を引き起こす可能性がある。

5）信頼性。どのような制御信号や受動負荷を加えても、モータ駆動回路はできるだけ安全でなければならない。

a.入力とレベル変換：

入力信号ケーブルはDATAによって導入される。ピン1は接地ケーブルであり、残りは信号ケーブルである。ピン1は2 Kオームの抵抗器を介して接地に接続されていることに注意してください。駆動プレートとMCUがそれぞれ電力を供給する場合、抵抗器は信号電流還流に経路を提供することができる。駆動プレートがMCUと電源を共有する場合、この抵抗はMCUマザーボードのアースに沿って高電流が流入することによる干渉を防止することができる。言い換えれば、これは、MCUのアース線から駆動板のアース線を分離して「一点接地」を実現することに相当する。

高速演算増幅器KF 347（TL 084とも呼ばれる）はコンパレータとして機能し、入力論理信号をランプとダイオードの2.7 V参照電圧と比較して電源電圧の振幅に近似した方形波信号とする。KF 347の入力電圧範囲は負電源電圧に近づくべきではありません。そうしないとエラーになります。したがって、電圧範囲のオーバーフローを防止するダイオードがオペアンプ入力端子に追加される。入力端子には2つの抵抗器があり、1つは電流を制限するため、もう1つは入力端子を低くするために使用されています

一時停止しました。

LM 339または他のオープン出力を持つコンパレータは、オープン出力のハイレベル出力インピーダンスが1000オーム以上であり、電圧降下が大きく、次の3極管は切断できないため、オペアンプの代わりに使用することはできません。

b.シャッタ駆動部：

3極管、抵抗器、電圧調整器からなる回路はさらに信号を増幅し、FETTのゲートを駆動し、FETT自体のゲート容量（約1000 pF）を利用して遅延し、Hブリッジ上下アーム上のFETTが同時にオン（「コモンモードオン」）することによる電源短絡を防止する。

オペアンプの出力端子が低（約1 Vから2 V、完全にゼロに達することができない）の場合、下の3極管がオフ、FETSがオンする。上部の3極管がオン、FETSがオフ、出力がハイレベルである。オペアンプの出力がハイレベル（約VCC-（1 Vから2 V）の場合、VCCに完全に到達することはできません）、下の三極管が導通し、FETSが遮断します。上部の三極管が遮断し、FETSが導通し、出力が低い。

上記の分析は静的であるが、スイッチの動的過程は以下の通りである：3極管のオン抵抗は2 KHMよりはるかに小さいため、3極管がオフからオンに切り替わる時、FETTゲートキャパシタ上の電荷は急速に放出され、FETTは急速にオフすることができる。しかし、3極管がオンからオフfETゲートに切り替わって2 kHM抵抗器で充電するまでには一定の時間が必要である。したがって、MOSFETのオンからオフまでの速度はMOSFETのオフからオンまでの速度よりも速い。2つの三極管のスイッチング動作が同時に発生すると、この回路は上下のMOSFETを先にオフにしてオンにすることができ、コモン状態オン現象を解消することができる。

実際には、オペアンプの出力電圧の変化には一定の時間が必要であり、その間、オペアンプの出力電圧は正負電源電圧の間の中間値にある。このとき、2つの三極管が同時にオンし、MOSFETが同時にオフする。だから実際の回路はこの理想的なものより少し安全です。

MOSFETゲートの12 V定電圧ダイオードはMOSFETゲートの過電圧破壊を防止するために用いられる。一般的なMOSFETゲート電圧は18 Vまたは20 Vであり、直接24 V電圧を加えると破壊されるため、定電圧ダイオードは通常のダイオードでは代用できず、2 KOWの抵抗器で代用してもよく、12 Vの分圧を得ることもできる。

c.電界効果管出力部：

高出力MOSFET内部のソースとドレインとの間には逆並列ダイオードがある。Hブリッジに接続すると、出力端子に電圧スパイクを除去するために4つのダイオードが接続されていることに相当するため、外部ダイオードはありません。小さな出力並列コンデンサ（OUT 1とOUT 2の間）はモータが発生するピーク電圧を低減するために一定の利点があるが、PWMを使用する際にピーク電流の副作用があるため、電気容量はあまり大きくないべきである。低電力モータを使用する場合は、この容量を省略することができる。このコンデンサを加えると、必ず高圧を使用しなければならず、通常のセラミックコンデンサでは破壊短絡障害が発生する可能性があります。

出力端子は抵抗器、LEDとコンデンサが並列に構成された回路でモータの回転方向を示している。

d.性能指標：

電源電圧15～30 V、連続出力電流5 A/台モータ、短時間（10秒）で10 Aに達することができ、PWM周波数は30 KHz（一般的には1～10 KHz）を使用することができる。回路基板は4つの論理的に独立した電力増幅器ユニットを含み、シングルチップマシンによって直接制御することができる。モータの双方向回転と速度調整を実現する。

e.PCBレイアウトと配線：

大電流線はできるだけ短くて太いもので、穴を通過しないようにしてください。穴を通さなければならない場合は、穴を拡大（gt ; 1 mm）し、パッドに小さな穴を開け、溶接時にはんだで充填しなければ焼損する可能性がある。また、調節管を使用する場合は、電源とアースのfET電源はできるだけ短く厚くしなければならない。そうしないと、高電流では、この電線上の電圧降下は正バイアス調節管とトランジスタで焼損する可能性がある。最初の設計では、NMOS管の電源と接地の間に0.15オームの抵抗器を挿入して電流を検出したが、この抵抗は回路基板が焼損し続ける原因となった。もちろん、調整管の代わりに抵抗器を使用すれば、この問題はない。

駆動回路のPCBは、消費電力の問題を解決するために特別な冷却技術を必要とする。FR−4エポキシガラスなどのプリント基板（PCB）は、熱伝導性が劣る。一方、銅は熱伝導性に優れている。したがって、熱管理の観点からは、PCB中の銅面積を増やすことが理想的なソリューションである。厚い銅箔（例えば、2オンス（厚さ68ミクロン））は、薄い銅箔よりも熱伝導性が優れている。しかしながら、厚い銅箔の使用は高価であり、微細な幾何学的形状を実現することは困難である。その結果、1オンス（34ミクロン）銅箔の使用が一般的になった。通常は外層を使用しますか？オンスから1オンスの銅箔。多層回路基板の内層はソリッド銅表面を採用し、良好な放熱性能を有する。しかし、これらの銅表面は通常、回路基板スタックの中間に配置されるので、熱は回路基板内部に蓄積される。PCB外層の銅面積を増やし、複数の貫通孔を介して内層に接続または「縫合」することで、熱を内層の外部に伝達するのに役立ちます。