IR2104_+_IRF540_MOS电机驱动全桥_学习与实践过程

IR2104 + IRF540 MOS电机驱动全桥学习与实践过程

使用L293或L298等全桥芯片来控制直流电机虽然简便而且成本低廉，但由于它们的内阻较大，在控制大电流的马达时芯片常常过热，导致系统的整体效率较低。在电动车上，马达控制芯片的内阻过大会导致车子的加速度变小。

本人设想在暑假制作一个大的轮式或者履带式机器人，并且希望它能跑到公交车那么快，于是开始研究如何使用MOS管来控制更大电流的电机。

首先，本人参考了《大功率直流马达的驱动——ABU ROBOCON 2005比赛之动力方案》一文中的电路图（原文地址 /article.php?sid=192 ）

按照这个原理图，我热转印制作了单个全桥的实验电路。个别的电阻电容值有所变动。

上电并给予有效的持续高电平信号后发现电路不能驱动马达，而2104开始发烫，540没有任何反应。于是更换2104，但仍出现同样的现象。通过示波器检测发现，高端MOS没有被驱动，而低端MOS的G 端信号正常，因而桥没有被导通。更换信号方向，另外半桥仍然出现相同的现象。

本人开始怀疑是BOOTSTRAP电容的问题，于是实验了不同的电容值。但无论怎么变换，问题仍然没有被解决。由于手头没有4148，使用了IN5819作为续流二极管，按道理5819只会比4148更好，不应该成为问题的原因。

由于手头2104只有6片，而所有的都上电并且发热过，于是重新购买了一批2104。在这里感谢周顺同学，那天刚好他毕业考考好，帮我到科技京城买了2104。

更换2104后，电路工作正常。周顺看了看我原来的2104，恍然大悟：原来的芯片是97年前的旧货。

马达欢快地转了起来。由于540的内阻要比298小很多，马达的加速度明显提高，变向时电刷更是发出了闪亮的火星。

回到家后用示波器开始研究高端MOS的G端驱动电压波形。发现在EN端为高的初期，高端MOS的驱动电压突然升至比VCC高10V。此时强推动作用起效。但随着时间的流逝，该电压逐渐衰减为VCC，MOS的导通程度越来越不完全。直到下一个脉冲到来，G端电压又恢复为VCC+10V，但又逐渐衰减。也就是说，用持续的高电平信号来驱动MOS会导致MOS不能被完全导通，致使MOS发热，马达的实际功率低下。使用PWM信号则可以解决这个问题，它使BOOTSTRAP电容反复充电放电，使高端驱动电压始终维持在一个比较高的水平。倘若想让马达全速前进，不能使用持续的高电平，而需要用3%左右占空比的PWM，这是驱动2104与驱动298等全桥芯片的最大差别。

不同的BOOTSTRAP电容值适应于不同频率的PWM信号与不同的MOS。电容值大的充电和放电时间都比较大，电压衰减得也比较慢，因而适合较低频率的PWM；电容值小的充电放电时间比较短，适合于较高频率的PWM。虽然IR给出过一个BOOTSTRAP电容的计算公式，但本人更倾向于通过实验来寻找合适的电容值。这样做既避免了繁杂的计算，又可以通过实验来了解它的工作原理，而且还可以适应板载电容。

通过实验，本人确定了1UF的电容值。该电容采用了旦电容，以减少漏电。但如果没有旦电容，其他漏电较大的电容影响也并非很大。相对于高频的PWM，在如此短的时间内漏电的影响是微乎其微的。但从理论上来说，BOOTSTRAP电容漏电会导致高端MOS的导通电阻变大。

总结了以上经验，本人又制作了一块双电机的MOS驱动电路。电路没有太大的改变，只是把续流二极管改为原图所说的4148，把阻容换成了贴片封装，并且采用了1UF旦电容作为BOOTSTRAP电容。

点击此处下载热转印用PCB文档（DXP）

该电路制作好后成功地驱动了我的机器人小车。小车在全速启动以及突然反向运动时的性能明显比使用298要好。主要原因为突然变向的电流很大，而298的驱动能力有限，导致变向的电流较小，加速度较小。

实验并没有发现该电路有什么问题，于是电路基本定型，转向于研究设计印刷电路板。由于TO-220

封装的MOS管直立很占空间，而且还需要散热器，于是本人决定采用贴片的D2PAK封装的IRF540，其他元件也都改为贴片封状。另外为了散热，本人还在芯片的上面设计了散热器和风扇。降低MOS温度可以大大提高工作效率。

一周后我拿到了印刷电路板，同时我也去购买贴片元件。IRF540S（S是贴片，N是TO-220）并没有买到正品，而是买到了打磨后重新刻字的拆机件，其他元件都买到了正品。回家焊接好后，电路工作正常，绿的散热器很漂亮。

点击此处下载PCB以及SCH

虽然该电路工作正常，但总感觉拆机的MOS管发热很大。于是我决定将TO220的正品540改为D2PAK 封装，以做对比实验。

首先，用凿子将BACK凿到合适的位置

剪去一个脚

用老虎钳弯到合适的位置再剪到合适的长短

改装好的540与D2PAK封装的7805对比

我将这些改装好的正品540焊接到了电路上，而且没有安装散热器。由于急于想看到实验结果，在使用完焊锡膏后我没有洗板就上电了，结果2104突然冒火，被烧成两半。我急忙断电，但为时已晚。更换2104后，电路仍不能正常工作。通过检测发现，问题出在74HC00上。更换74HC00并洗板后，电路工作正常。我突然意识到74HC00的剩余引脚没有接地，而焊锡膏则可能导致漏电。因而我将这次事故的主要原因归结为：CMOS剩余引脚没有接地，而焊锡膏漏电导致惨剧发生。

电路修理好后，通过驱动同一马达，我发现正品540没有任何感觉得到的升温，而拆机540则明显升温。我断定，拆机540并非540，而是其他电流较小的MOS打磨后冒充540。

我来到科技京城，到处寻找IRF540S，但所有的商家都告诉我，只有假的，真的没有。而其他的贴片MOS，电流都比较小。因此我意识到只能采用手工加工540N的办法来获得540S。。。。。真是无奈啊。

回家后我开始实验较大电流的驱动，我将驱动电压和2104工作电压设为同路的12V，由一个2A的稳压电源供电，并且将限流开到最大。驱动信号为97%高电平的PWM，每隔1秒反转马达。当马达反转时，意想不到的事情发生了：马达停了下来，电流却被限制在了2A！此时板上的元件一定开始发热了！我迅速地将电源关闭。摸了下2104，滚烫！不过还好没有烧毁。重新上电驱动小马达一切正常。但一反转大马达，同样的事情再次发生。经过反复思考，我将该问题归结于电源的限流。由于马达反转时电流巨大，拉低了电压，使2104工作电压低于了正常范围（10V-20V），最低甚至到达了3V，而此时外围电路却在继续工作，2104极有可能发生错乱而导致发热。因此本人建议：2104的VCC最好能单独供电，千万不能因为马达而拉低电压，否则后果很可能是毁灭性的！

解决了该问题后，我想到电路的设计电流过小，50MIL的线顶多只能通过5A的电流，而540却能驱动30个安培，该电路对它的驱动能力造成了极大的浪费，因此决定重新设计。

在重新设计的电路板上，我没有改变任何的电路，而是把心思放在了走线以及散热上。我在每个MOS 的正面和反面都采用了长方形的敷铜充当散热片，并且在MOS安装的地方用数量众多的过孔将两片敷铜连接起来，使正面的热量能够迅速传递到反面进行散热。另外在大电流的网络中，我还运用了SOLDER 层去除阻焊层，使之能够镀锡以提供更大的电流。

昨天我拿到了PCB板，迫不及待地进行了焊接，洗板以及上电实验，一切顺利。电路自身的散热性能极佳。

可以看到MOS反面的散热敷铜以及热传导用的过孔

焊接好的板子（正面）

焊接好的板子（反面）