电磁组智能车恒磁式20KHZ信号源设计导图

现在我们借助电磁组用的20KHZ的信号发生器看看能学到些什么。

信号发生器分三个部分组成，20K信号发生器、功率输出部分（功率输出可以采用多种方式，我们在这里只讨论用分立元件组成的H桥）、恒流源部分。

20K信号的发生有多种方式，可以使用单片机也可以使用555还可以使用其他的振荡电路（教材上有详细的介绍）。

下面我们主要讨论一下H桥和恒流控制。

这是一个H桥功率输出+恒流电路，现在我们把它拆分成两部分来看。

首先是H桥的主体如下图所示。

这是上臂由PNP三极管和下臂由NPN三极管构成的H桥。

其原理是在三极管工作在关闭和饱和两种状态的基础下，当控制Q1和Q4导通并且另外两只三极管截至的情况下电流会从负载（RL）的左侧流向右侧（红线方向）；同理当Q2和Q3导通Q1和Q4截至的时候电流会从负载的右侧流向左侧（绿线方向）。

让NPN三极管工作在饱和的状态（当开关使）只要使其基极电流足够大就可以了（不可太大会烧坏管子的），当Vbe大于导通电压时集电极和发射极导通。

一般NPN三极管当开关使的电路如下图所示。

与NPN三极管不同的是PNP三极管的Vbe为负压时（电流从发射极流向基极）发射极和集电极导通。

一般PNP三极管当开关使的电路如下图所示。

通过观察这两个开关电路可以发现NPN三极管开关电路的负载比三极管更靠近电源正极，而PNP三极管开关电路的负载比三极管更靠近地。

为什么要这么做呢，如果放反了会怎么样呢，以NPN三极管为例。

我们都知道NPN三极管正常工作时发射极电位是小于基极电位的，所以上图电路中的三极管是工作在放大状态下的。

这个电路的好处在于基极电流很小（输入阻抗很大），基极电流近似等于（基极电压-导通电压）/负载电阻/β。

在共集放大电路（在学习共集放大电路的时候不妨也顺便看看共基放大电路）和推挽电路中会看到它的身影。

这个电路稍微改造一下就变成了一个最简单的（之一吧）恒流源。

流过负载电阻RL的电流近似恒定为（Vref-导通电压）/Rfb。

那么这个电路是如何恒流的呢，反馈电阻Rfb（在这里就不叫负载电阻了）是关键。

我们都知道在RL在一定范围内变化时（这点很重要，RL如果太大下文就不成立了）三极管的集电极电流=基极电流*β，集电极电流与RL无关，但是β会随着三极管工作产生的热量变化，所以β值的变化是恒流最大的敌人。

好在这里有Rfb，当β增大时集电极电流增大即流过Rfb的电流就会增大所以导致三极管发射极电压升高，进而导致基极电流变小使集电极电流稳定下来。

这就是所谓的负反馈。

可以把这个电路抽象成一个串接在主回路上的可调电阻器。

这其实就是上文要说的第二部分恒流部分。

很显然这种恒流源的缺点是功耗大（全部转变成了热量）不经济。

现在回到三极管作为开关的话题。

前边说过只要保证三极管有足够的基极电流就可以使其进入饱和状态，那么顾名思义关掉基极电流就可以使三极管关闭了。

对于NPN三极管来说很简单，单片机的IO串个限流电阻到基极就可以控制了。

但是对于PNP三极管来说，如果发射极电压高过单片机IO的电压（3.3V和5V居多）会存在三极管关不断的情况，所以当PNP三极管用作开关的时候不能用IO直接控制基极，一般情况下会用一个NPN三极管作为辅助控制如下图所示，辅助NPN三极管还可以起到电平转换的作用（单片机IO端由低电平打开PNP变成了高电平打开）。

R1（上拉电阻）和R4（下拉电阻）可以省略，但是怕三极管基极浮空（三极管的基极是可以浮空的）容易引入干扰所以NPN的基极加下拉电阻PNP的基极加上拉电阻。

R3是NPN三极管基极限流电阻，R2既是PNP的基极限流电阻也是NPN的集电极限流电阻（在这里NPN三极管的集电极电流就不满足Ibe*β了，原因是R2的阻值……，一定和上文中所说的情况区别开），没有R2只要控制信号给个高电平两个三极管就都烧了。

现在H桥的控制以及恒流方法我们都掌握了，我们试着来设计一个带恒流输出的H桥。

下图是我第一印象的设计。

对比组委会给出的电路就会发现组委会方案应用地更加灵活，电路的输入阻抗很高。

这是一个非常值得学习借鉴的电路。

虽然组委会方案最终给的两个版本里既没有使用三极管做H桥也没有采用带反馈电阻的恒流方式而是使用了开环的容易温漂的恒流方式（我猜组委会是想参赛的同学自己主动使用隐藏在这张不起眼的图里的恒流方案吧，毕竟这是传统），但是搞懂了这张图后边的问题就迎刃而解了。

一般情况下H桥我们喜欢用MOS管（说实话MOS管比三极管学起来困难一些，因为MOS的分类实在太多了特性各不相同，由于水平有限这里就单单探讨一下增强型MOSFET 吧）来做。

以增强型MOSFET为例（下文中如果说到MOS管、NMOS、PMOS等都默认是增强型MOSFET），其特性与三极管由如下几个特别明显的不同使用时要注意。

这里只是简单概述不会说的特别全以及解释的特别详细（毕竟水平有限），详细了解还需要查看教材。

①三极管是流控流型器件；而MOS管是压控流型器件，MOS正常工作的时候栅极和源极以及漏极之间的电流极其微小所以用MOS做成的放大电路比用三极管做的放大电路输入阻抗高。

正是这个不同所以基于三极管的放大电路和基于MOS的放大电路看起来电路拓扑结构非常相似但是参数差异很大。

②三极管是单向导电的而MOS不是。

以NMOS为例只要保证Vgs（栅极电压-源极电压）高于导通电压，电流既可以从源极流向漏极也可以从漏极流向源极，并且MOS完全开启后源漏两极并不像三极管一样有一个二极管带来的压降，MOS的压降主要是下文提到的Rds 决定的。

这个特性常用来在驱动感性负载时辅助续流二级管（MOSFET的原理图上都并着一个二级管）续流，续流问题一会再讨论；大功率的防反接电路如下图所示也巧妙地利用了这一特性。

③三极管的基极浮空不会有太大问题，而MOS的栅极就不多说了。

在选择MOS管以及使用MOS管的时候最常需要注意的几个参数。

①Vds（漏源两极的电压）的最大耐压值。

其实MOS是很脆弱的器件，而它又常常工作在大电压大电流的环境中，其负载多为感性负载并且电路中不可避免会有寄生电感，所以耐压余量留大点没有啥坏处尤其是对于萌新来说。

②Vgs（栅源两极的电压）的最大耐压值和Vgs(th)（开启电压），在开关电路中Vgs往往大开大合，如果电路设计使得开启MOS的Vgs太小（比Vgs(th)稍大）会造成导电沟道太窄（MOS不能完全打开造成能量损耗，其表现是驱动能力差发热量大）；而Vgs在使用时接近Vgs的最大耐压值或略超过最大耐压值会造成更为可怕的现象，MOS短期内可以正常工作但是一段时间后就挂掉了换个MOS又能工作一段时间，如果设计师不认真排查问题而是出了问题就换件就凉凉了。

所以在设计电路以及选用MOS的时候一定看清楚这个参数。

③Rds（MOS开启后漏源两极间的电阻），在开关电路中比较关心这个参数，我们希望Rds越小越好。

一般情况下同级别（价格、Vds、Id等）的NMOS的Rds比PMOS的Rds要小，这也是为什么不惜增加成本不惜增加电路复杂度使用4个（三相电机是6个）NMOS来做H桥的原因之一。

④Id（漏极电流）的最大值，和三极管一样MOS的电流也不能无限增大总有饱和的时候。

有人经常把MOS的Id最大值直接作为自己电机驱动的带载能力，真不知道该说什么好。

⑤Qg（使MOS管开启时栅极需要的电荷量），简单理解就是MOS栅极和另外两极之间会有个小电容，当开启MOS（NMOS）的时候就是给电容充电，关闭NMOS的时候就是给电容放电。

开启或者关闭MOS的速度越快那么流过栅极的电流就越大，计算公式是I=Qg/t。

所以MOS驱动芯片手册上都会在最显眼的地方标上驱动芯片的最大输入输出电流，比如IR2104的IO+/-为130mA/270mA。

在这里不得不多说一下因为电路中存在寄生电感（驱动芯片的IO到栅极的那根线可以看成一个小电感和小电阻的串联，当线过长或打了过孔寄生电感就会更大），这个寄生电感和MOS的寄生电容就会玩得很开心荡个不停，所以为了避免振荡所以栅极和驱动芯片之间会加个小电阻。

一般情况下小功率的MOS的Qg也小，可以比较容易地使开关频率高一些；而大功率地Qg比较大所以很难做到太高频率的开关控制，并且需要使用带负载能力更强的驱动芯片。

因此Qg小一些对使用者是有利的。

搞清楚了MOS的一些知识，下一步就来看看如何驱动开关电路中的MOS管吧。

以IRLR7843为例，其Vds(MAX)为30V；Vgs(MAX)为正负20V；Vgs(th)为2.3V（单片机IO的3.3V 或5V是可以打开它的），下图为MOS管开关驱动电路。

看上图也许有疑问，为什么不用单片机IO直驱MOS管呢，原因之前已经说过了MOS 管栅极电流（公式也说过了）在开启关闭的时候是很大的，而单片机IO电流最大值大概在20mA左右（一般情况下单个IO带载能力是20mA，所有IO加起来带载能力也是20mA，这点需要特别注意），如果不需要MOS开启关闭地太过陡峭是可以用IO直驱的（限流电阻用大点就是了）。

所以为了保护单片机IO所以加上推挽电路（只放大电流不放大电压，之前说过）。

对于有些MOS管来说Vgs(th)比较大，3.3V或者5V的电压打不开怎么办呢，那么就在推挽电路前加一级共射放大，如下图所示。

顺便再思考一个问题，这个电路是基于IRLR7843来做的，如果现在要把MOS换成AO3400这个电路需不需要做修改呢？现在H桥下臂MOS的驱动已经掌握了，上臂MOS怎么驱动呢？和上图一样吗？我们先看一下H桥的拓扑结构（之前说过一次现在再说一次）。

假设Q1、Q4开启另外两只MOS关闭的情况下我们看看Q1漏极（S）处的电压，因为MOS开启后内阻很小所以S处的电压就约等于H桥供电电压，那么要维持MOS开启栅极（G）电压要比S大Vgs(th)才行，所以上臂MOS的驱动就需要升压了。

升压可以使用升压芯片升压到一个比H桥供电电压大10V左右的电压来给上臂驱动的推挽电路供电，或者使用经常看得见的一个二极管和一个电容组成的自举升压电路，如下图所示。

说到自举升压就不得不说电容的特性了，分析电容在电路中起到的作用就需要掌握公式：Ic=C（du/dt），这个公式的意思是电容上的电流和电容两端电压差的变化率是呈正比的，也就是说电容上有电流流过电容两端的电压差才会变化。

现在来看上边的图，假设Q2、Q3导通Q1、Q4关闭，那么OUTA处的电压大约为0V，此时+12V电源会通过D1给电容C1充电到电容两端的电压为12V（不考虑二极管压降）。

然后关闭Q1、Q3，打开Q2、Q4，在打开Q2、Q4的这一刻VB处的电压是12V，负载上还没有电流流过，OUTA处的电压还是接近0V，所以上臂MOS管是可以被打开的，随着负载上电流越来越大，OUTA处的电压也会越来越大，由于D1的存在C1无法向+12V电源放电所以VB处的电压也会随着OUTA处的电压升高，这样就能维持上臂MOS的开启。