PCB科技 - 電機驅動電路設計PCB建議

直流電機驅動電路的設計目標

在設計直流電機驅動電路時，主要考慮以下幾點：

1 功能：電機是單向的還是雙向的? 你需要調整速度嗎? 用於單向電機驅動, 大功率3極管或mosFEtt或繼電器可直接驅動電機. 電機需要雙向旋轉時, 四電源h橋電路 PCB組件 也可以使用雙極雙擲繼電器. 如果您不需要加速, 只要使用繼電器即可； 但如果你需要速度, 你可以使用3極管, fET and other switching components to achieve PWM(pulse width modulation) speed.

2、效能：對於PWM電機驅動電路，主要有以下性能指標。

1）輸出電流和電壓範圍，决定電路可以驅動多大功率電機。

2）效率高，效率高不僅意味著節省電源，而且還减少了驅動電路的發熱。 為了提高電路的效率，我們可以保證電源設備的開關狀態，防止共態導通（H橋或推挽電路可能會出現問題，即兩個電源設備同時使電源短路）。

3）對控制輸入的影響。 電源電路的輸入端應具有良好的訊號隔離，以防止高壓和大電流進入主控制電路，主控制電路可通過高輸入阻抗或光電耦合器進行隔離。

4）對電源的影響。 公共狀態傳導會導致電源電壓暫態下降，並導致高頻電源污染。 大電流可能導致接地線波動。

5）可靠性。 無論添加何種控制訊號或無源負載，電機驅動電路都應盡可能安全。

a、輸入和電平轉換：

數據引入輸入信號電纜。 針腳1為接地電纜，其餘為訊號電纜。 請注意，針腳1通過2K歐姆的電阻接地。 當驅動板和MCU分別供電時，該電阻器可以為訊號電流回流提供路徑。 當驅動板與MCU共亯電源時，該電阻可防止高電流沿導線流入MCU主機板的地線所造成的干擾。 換言之，這相當於將驅動板的地線與MCU的地線分離，以實現“接地點”。

高速運算放大器KF347（也可作為TL084提供）起到比較器的作用，將輸入邏輯訊號與指示燈和二極體的2.7V參攷電壓與近似電源電壓幅值的方波訊號進行比較。 KF347的輸入電壓範圍不應接近負電源電壓，否則會出錯。 囙此，在運算放大器輸入端子上新增了一個防止電壓範圍溢出的二極體。 輸入端有兩個電阻器，一個用於限制電流，另一個用於在輸入端處於低電平時將其拉至低電平

暫停的。

LM339或任何其他具有開路輸出的比較器都不能用來代替運算放大器，因為開路輸出的高電平輸出阻抗大於1000歐姆，且壓降較大，並且後續3極管將無法切斷。

b、閘門驅動部分：

由3極管、電阻器和電壓調節器組成的電路進一步放大訊號，驅動FETT的柵極，並使用FETT本身的柵極電容（約1000pF）進行延遲，防止FETT在H橋上下臂上同時導通（“共態導通”）導致電源短路。

當運算放大器的輸出端電壓較低（約1V至2V，不能完全歸零）時，以下3極管切斷，FET開啟。 頂部3極管開啟，FET關閉，輸出為高電平。 當運算放大器的輸出高（約VCC-（1V至2V）時，它無法完全達到VCC），以下3極管打開，FET切斷。 頂部3極管切斷，FET開啟，輸出低。

上述分析是靜態的，而開關的動態過程將在下麵討論：3極管的傳導電阻遠小於2 KHM，囙此當3極管從切斷切換到通斷，並且FETT快速切斷時，FETT柵極電容上的電荷可以快速釋放。 然而，3極管從on轉換到截止fET柵極需要一定的時間才能通過2kHM電阻器充電。 囙此，MOSFET從on到off的速度快於MOSFET從off到on的速度。 如果兩個3極管的開關動作同時發生，該電路可以使上下MOSFET先斷開再導通，從而消除共態導通現象。

實際上，運算放大器輸出電壓的變化需要一定的時間，在這段時間內，運算放大器輸出電壓處於正電源電壓和負電源電壓之間的中間值。 此時，兩個3極管同時接通，MOSFET同時切斷。 囙此，實際電路比理想電路安全一點。

MOSFEtt柵極的12V穩壓二極體用於防止MOSFEtt柵極的過電壓擊穿。 一般MOSFET的柵極電壓為18V或20V，直接加24V電壓就會擊穿，所以穩壓二極體不能用普通二極體代替，但可以用一個2kW的電阻代替，也可以得到12V的分壓。

c、場效應管輸出部分：

在大功率MOSFET內部的源極和漏極之間有反向並聯的二極體。 當連接到H橋時，相當於輸出端連接了四個二極體以消除電壓尖峰，囙此沒有外部二極體。 小輸出並聯電容器（OUT1和OUT2之間）對降低電機產生的峰值電壓有一定的好處，但在使用PWM時會產生峰值電流的副作用，囙此容量不宜太大。 當使用低功率電機時，可以忽略此電容。 如果添加此電容器，請務必使用高壓，普通陶瓷電容器可能出現擊穿短路故障。

由電阻、LED和電容器並聯組成的電路在輸出端訓示電機的旋轉方向。

d、績效名額：

電源電壓15～30V，每臺電機連續輸出電流5A，短時（10秒）可達10A，PWM頻率可使用30KHz（一般1～10KHz）。 電路板包含四個邏輯上獨立的功率放大器單元，可由單片機直接控制。 實現電機的雙向旋轉和調速。

e、PCB佈局和佈線：

強電線路應儘量短而粗，儘量避免穿過孔洞。 如果必須穿過孔，則應將孔變大（gt；1mm），並在焊盤上開一個小孔，在焊接過程中用焊料填充，否則可能會燒壞。 此外，如果使用調節器管，連接電源和接地線的fET源應盡可能短且厚，否則在大電流下，此導線上的電壓降可能會通過正偏壓調節器管和電晶體on燒壞。 在最初的設計中，在NMOS管的電源和接地之間插入了一個0.15歐姆的電阻來檢測電流，而這個電阻成為了電路板持續燃燒的罪魁禍首。 當然，如果用電阻器更換調節器管，則不存在此問題。

驅動電路的PCB需要特殊的冷卻科技來解决功耗問題。 印刷電路板（PCB）基板，如FR-4環氧玻璃，導熱性較差。 另一方面，銅導熱性很好。 囙此，從熱管理的角度來看，新增PCB中的銅面積是一個理想的解決方案。 較厚的銅箔（例如，2盎司（68微米厚））比較薄的銅箔傳熱更好。 然而，使用厚銅箔的成本很高，而且很難獲得良好的幾何結構。 囙此，使用1盎司（34微米）銅箔變得很普遍。 通常使用外層？ 盎司至1盎司銅箔。 多層電路板內層使用的實心銅表面具有良好的散熱性。 然而，由於這些銅表面通常放置在電路板堆棧的中間，熱量在電路板內部累積。 新增PCB外層的銅面積，並通過多個通孔將其連接或“縫合”到內層，有助於將熱量傳遞到內層的外部。