直流電機驅(qū)動電路的設計目標

在直流電機驅(qū)動電路的設計中，主要考慮以下幾點：

功能：電機是單向還是雙向轉(zhuǎn)動?需不需要調(diào)速?對于單向的電機驅(qū)動，只要用一個大功率三極管或場效應管或繼電器直接帶動電機即可，當電機需要雙向轉(zhuǎn)動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者使用一個雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可;但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場效應管等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。

性能：對于PWM調(diào)速的電機驅(qū)動電路，主要有以下性能指標：

- 輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動多大功率的電機。

- 效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導通(H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個問題，即兩個功率器件同時導通使電源短路)入手。

- 對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現(xiàn)隔離。

- 對電源的影響。共態(tài)導通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染;大的電流可能導致地線電位浮動。

- 可靠性。電機驅(qū)動電路應該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。

1. 輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：

輸入信號線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號線。注意1腳對地連接了一個2K歐的電阻。當驅(qū)動板與單片機分別供電時，這個電阻可以提供信號電流回流的通路。當驅(qū)動板與單片機共用一組電源時，這個電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機主板的地線造成干擾。或者說，相當于把驅(qū)動板的地線與單片機的地線隔開，實現(xiàn)“一點接地”。
高速運放KF347(也可以用TL084)的作用是比較器，把輸入邏輯信號同來自指示燈和一個二極管的2.7V基準電壓比較，轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓幅度的方波信號。KF347的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓，否則會出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個電阻一個用來限流，一個用來在輸入懸空時把輸入端拉到低電平。

不能用LM339或其他任何開路輸出的比較器代替運放，因為開路輸出的高電平狀態(tài)輸出阻抗在1千歐以上，壓降較大，后面一級的三極管將無法截止

2. 柵極驅(qū)動部分：

后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進一步放大信號，驅(qū)動場效應管的柵極并利用場效應管本身的柵極電容(大約1000pF)進行延時，防止H橋上下兩臂的場效應管同時導通(“共態(tài)導通”)造成電源短路。

當運放輸出端為低電平(約為1V至2V,不能完全達到零)時，下面的三極管截止，場效應管導通。上面的三極管導通，場效應管截止,輸出為高電平。當運放輸出端為高電平(約為VCC-(1V至2V),不能完全達到VCC)時，下面的三極管導通，場效應管截止。上面的三極管截止，場效應管導通,輸出為低電平。

上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開關(guān)轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程：三極管導通電阻遠小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導通時場效應管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場效應管迅速截止。但是三極管由導通轉(zhuǎn)換到截止時場效應管柵極通過2千歐電阻充電卻需要一定的時間。相應的，場效應管由導通轉(zhuǎn)換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導通的速度快。假如兩個三極管的開關(guān)動作是同時發(fā)生的，這個電路可以讓上下兩臂的場效應管先斷后通，消除共態(tài)導通現(xiàn)象。

實際上，運放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)運放輸出電壓處于正負電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導通，場效應管就同時截止了。所以實際的電路比這種理想情況還要安全一些。

場效應管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場效應管柵極過壓擊穿。一般的場效應管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會擊穿，因此這個穩(wěn)壓二極管不能用普通的二極管代替，但是可以用2千歐的電阻代替，同樣能得到12V的分壓。
3.場效應管輸出部分：

大功率場效應管內(nèi)部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成H橋使用時，相當于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個二極管，因此這里就沒有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個小電容(out1和out2之間)對降低電機產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過大。在使用小功率電機時這個電容可以略去。如果加這個電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會出現(xiàn)擊穿短路的故障。

輸出端并聯(lián)的由電阻和發(fā)光二極管,電容組成的電路指示電機的轉(zhuǎn)動方向.

4.性能指標：

電源電壓15~30 V,最大持續(xù)輸出電流5A/每個電機，短時間(10秒)可以達到10A,PWM頻率最高可以用到30KHz(一般用1到10KHz)。電路板包含4個邏輯上獨立的，輸出端兩兩接成H橋的功率放大單元，可以直接用單片機控制。實現(xiàn)電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速。

5.PCB的布局布線：

大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過過孔，一定要經(jīng)過過孔的話要把過孔做大一些(>1mm)并且在焊盤上做一圈小的過孔，在焊接時用焊錫填滿，否則可能會燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場效應管源極對電源和地的導線要盡可能的短粗，否則在大電流時，這段導線上的壓降可能會經(jīng)過正偏的穩(wěn)壓管和導通的三極管將其燒毀。在一開始的設計中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個0.15歐的電阻用來檢測電流，這個電阻就成了不斷燒毀板子的罪魁禍首。當然如果把穩(wěn)壓管換成電阻就不存在這個問題了。

電機驅(qū)動電路的PCB 需要采用特殊的冷卻技術(shù)，以解決功耗問題。印刷電路板 (PCB) 基材（例如 FR-4 環(huán)氧樹脂玻璃）的導熱性較差。相反，銅的導熱性非常出色。因此，從熱管理角度來看，增加 PCB 中的銅面積是一個理想方案。厚銅箔（例如：2 盎司（68 微米厚））的導熱性優(yōu)于較薄的銅箔。然而，使用厚銅箔的成本較高，并且難以實現(xiàn)精細的幾何形狀。

因此，使用 1 盎司（34 微米）銅箔變得很常見。外層通常使用? 盎司到1 盎司的銅箔。多層電路板內(nèi)層使用的固體銅面具有良好的散熱性。然而，由于這些銅面通常都置于電路板疊層的中央，因此熱量會聚集在電路板內(nèi)部。增加 PCB 外層的銅面積，并經(jīng)由許多通孔連接或“縫接”至內(nèi)層，有助于將熱量轉(zhuǎn)移到內(nèi)層外部。

由于存在走線和元件，雙層 PCB 的散熱可能會更加困難。因此，盡可能多地提供固體銅面，并實現(xiàn)與電機驅(qū)動器 IC 的良好熱連接顯得非常必要。在兩個外層上都增加覆銅區(qū)，并將其與許多通孔連接在一起，有助于由走線和元件分割的各區(qū)域間散熱。

a、走線寬度：越寬越好

由于電機驅(qū)動器 IC 的進出電流較大（在一些情況下超過 10 A），因此應謹慎考慮進出器件的 PCB 走線寬度。走線越寬，電阻越低。必須調(diào)整走線尺寸，以使走線電阻不會消耗過多功率，避免導致走線升溫。太小的走線其實可以作為電熔絲，并且容易燒斷！

設計師通常使用 IPC-2221 標準來確定適當?shù)淖呔€寬度。這一規(guī)范針對各種電流電平和允許的溫升提供了顯示銅橫截面積的相應圖表，可轉(zhuǎn)換為給定銅層厚度條件下的走線寬度。例如 1 盎司銅層中承載 10 A 電流的走線需要稍寬于 7 mm，以實現(xiàn) 10℃的溫升。針對 1-A 電流，走線寬度只需為 0.3 mm。

鑒于此，10 A 電流似乎不可能通過微型 IC 板。

需要理解的是，IPC-2221 中建議的走線寬度適用于等寬長距離 PCB 走線。如果采用更短的PCB 走線也有可能通過更大得多的電流，且不會產(chǎn)生任何不良作用。這是因為短而窄的 PCB 走線電阻較小，且產(chǎn)生的任何熱量都將被吸收至更寬的銅區(qū)域，而該區(qū)域則起到了散熱片的作用。

加寬 PCB 走線，? ?? ???

以使 IC 板能夠更好地處理持續(xù)電流。? ?? ???

參見圖中的示例。盡管該器件的 IC 板只有 0.4 mm 寬，但它們必須承載高達 3 A 的持續(xù)電流。所以我們需要盡可能地將走線加寬，并靠近器件。

走線較窄部分產(chǎn)生的任何熱量被傳導至較寬的銅區(qū)域，以使較窄走線的溫升可以忽略不計。

嵌入在 PCB 內(nèi)層的走線無法像外層的走線一樣充分散熱，因為絕緣基板的導熱性不佳。為此，內(nèi)層走線應設計為外層走線的約兩倍寬。

作為一個大致的指導方針，下表顯示了電機驅(qū)動器應用中較長走線（超過大約 2 cm）的建議走線寬度。

如果空間允許，使用更寬走線或覆銅區(qū)的布線可使溫升和壓降達到最低。

b、熱通孔：盡可能多地使用

通孔是小型的電鍍孔，通常用于將一根走線從一層穿至另一層。雖然熱通孔采用同樣的方式制成，但卻用于將熱量從一層傳至另一層。適當使用熱通孔對于 PCB 的散熱至關(guān)重要，但是必須考慮幾個工藝性問題。

通孔具有熱阻，這意味著當熱量流過通孔時，通孔之間會出現(xiàn)一些溫降，測量單位為℃/W。為使這一熱阻降至最低，并提高通孔傳輸熱量時的效率，應使用大通孔，且孔內(nèi)應含有盡可能多的銅面積。

應使用大通孔（圖為通孔的橫截面），且孔內(nèi)應含有盡可能多的銅面積，以使熱阻降至最低。? ?? ???

盡管在 PCB 的開口區(qū)域可以使用大通孔，但通孔往往置于 IC 板區(qū)域內(nèi)，以直接從 IC 封裝中轉(zhuǎn)移熱量。在這種情況下，無法使用大通孔。這是因為大型的電鍍通孔可能會導致“滲錫”，即用于連接 IC 與 PCB 的焊料向下流入通孔中，從而導致焊接點質(zhì)量不佳。

可以通過幾種方式來減少滲錫。其中一種是使用非常小的通孔，以減少滲入到孔中的焊料量。然而，小型通孔的熱阻更高，因此為實現(xiàn)相同的熱力性能，需要更多的通孔。

另一種技術(shù)是在板的背面為通孔“搭帳篷”。這需要移除板背面阻焊層中的缺口，以使阻焊層材料蓋住通孔。如果通孔較小，阻焊層將塞住通孔；因此，焊料就無法滲透 PCB。

不過，這可能會產(chǎn)生另外一個問題：焊劑聚集。通孔被塞住后，通孔中可能會聚集焊劑（焊膏的一種成分）。一些焊劑配方可能具有腐蝕性，如不去除，時間一長會導致可靠性問題。不過，現(xiàn)代大多數(shù)免清洗焊劑工藝不具有腐蝕性，且不會導致問題。

請注意，熱通孔不得使用熱風焊盤，它們必須直接連接至銅區(qū)域。

熱通孔應直接連接PCB 上的銅區(qū)域。? ?? ???

建議 PCB 設計人員與表面貼裝技術(shù) (SMT) 工藝工程師一起檢查 PCB 組裝件，以選擇適用于該組裝件工藝的最佳通孔尺寸和結(jié)構(gòu)，尤其是當熱通孔置于 IC 板區(qū)域內(nèi)時。

c、電容的布放

電機驅(qū)動器 IC 的元件布局指南與其他類型的電源 IC 類似。旁路電容器應盡可能地靠近器件電源引腳，而大容量電容器則置于其旁邊。許多電機驅(qū)動器 IC 使用引導和/或電荷泵電容器，其同樣應置于 IC 附近。

大多數(shù)信號直接在頂層路由。電源從大容量電容器路由至底層的旁路和電荷泵電容器，同時在各層過渡之處使用多個通孔。

TSSOP 和 QFN 封裝的器件底層有一個較大的外露式 IC 板。該 IC 板連接至芯片的背面，用于去除器件中的熱量。該 IC 板必須充分焊接至 PCB 上，以消耗功率。

為沉積該 IC 板的焊膏而使用的模具開口并不一定會在 IC 數(shù)據(jù)表中詳細說明。通常，SMT 工藝工程師對模具上應沉積多少焊料以及模具應使用何種圖案有其自己的規(guī)則。

如果使用類似于 IC 板大小的單個開口，則會沉積大量焊膏。這樣可能會因焊料熔化時的表面張力而導致器件被抬起。另一個問題是焊料空洞（焊料區(qū)域內(nèi)的空腔或缺口）。在回流焊過程中，焊劑的揮發(fā)性成分蒸發(fā)或沸騰時，就會出現(xiàn)焊料空洞。這可能會導致焊料被推出焊接點。

為解決這些問題，針對面積大于約 2 平方毫米的 IC 板，焊膏通常沉積在幾個小的方形或圓形區(qū)域。將焊膏分成更小的區(qū)域可使焊劑的揮發(fā)性成分更易于逸散出焊膏，而不會使焊料移位。

QFN 封裝的該焊料模有四個小開口，用于沉積中央IC 板上的焊膏。? ?? ???

SOT-23 和 SOIC 封裝

標準的引線封裝（如 SOIC 和 SOT-23 封裝）通常用于低功率電機驅(qū)動器中。

為了充分提高引線封裝的功耗能力，采用“倒裝芯片引線框架”結(jié)構(gòu)。在不使用接合線的情況下，使用銅凸點和焊料將芯片粘接至金屬引線，從而可通過引線將熱量從芯片傳導至 PCB。

倒裝芯片引線框架結(jié)構(gòu)有助于充分提高引線封裝的功耗能力。

通過將較大的銅區(qū)域連接至承載較大電流的引線，可優(yōu)化熱性能。在電機驅(qū)動器 IC 上，通常電源、接地和輸出引腳均連接至銅區(qū)域。

如下圖所示為“倒裝芯片引線框架”SOIC 封裝的典型 PCB 布局。引腳 2 為器件電源引腳。請注意，銅區(qū)域置于頂層器件的附近，同時幾個熱通孔將該區(qū)域連接至 PCB 背面的銅層。引腳 4 為接地引腳，并連接至表層的接地覆銅區(qū)。引腳 3（器件輸出）也被路由至較大的銅區(qū)域。

倒裝芯片 SOIC PCB 布局

請注意，SMT 板上沒有熱風焊盤；它們牢牢地連接至銅區(qū)域。這對實現(xiàn)良好的熱性能至關(guān)重要。

QFN 和 TSSOP 封裝

TSSOP 封裝為長方形，并使用兩排引腳。電機驅(qū)動器 IC 的 TSSOP 封裝通常在封裝底部帶有一個較大的外露板，用于排除器件中的熱量。

TSSOP 封裝通常在底部帶有一個較大的外露板，用于排除熱量。

QFN 封裝為無引線封裝，在器件外緣周圍帶有板，器件底部中央還帶有一個更大的板。這個更大的板用于吸收芯片中的熱量。

為排除這些封裝中的熱量，外露板必須進行良好的焊接。外露板通常為接地電位，因此可以接入 PCB 接地層。

在理想情況下，熱通孔直接位于板區(qū)域。在的 TSSOP 封裝的示例中，采用了一個 18 通孔陣列，鉆孔直徑為 0.38 mm。該通孔陣列的計算熱阻約為 7.7°C/W。

采用了一個 18 熱通孔陣列的 TSSOP 封裝 PCB 布局

通常，這些熱通孔使用 0.4 mm 及更小的鉆孔直徑，以防止出現(xiàn)滲錫。如果 SMT 工藝要求使用更小的孔徑，則應增加孔數(shù)，以盡可能保持較低的整體熱阻。

除了位于板區(qū)域的通孔，IC 主體外部區(qū)域也設有熱通孔。在 TSSOP 封裝中，銅區(qū)域可延伸至封裝末端之外，這為器件中的熱量穿過頂部的銅層提供了另一種途徑。

QFN 器件封裝邊緣四周的板避免在頂部使用銅層吸收熱量。必須使用熱通孔將熱量驅(qū)散至內(nèi)層或 PCB 的底層。

采用9個熱通孔的 QFN 封裝 PCB 布局

圖中的 PCB 布局所示為一個小型的 QFN (4 × 4 mm) 器件。在外露板區(qū)域中，只容納了九個熱通孔。因此，該 PCB 的熱性能不及 TSSOP 封裝。

倒裝芯片 QFN 封裝

倒裝芯片 QFN (FCQFN) 封裝與常規(guī)的 QFN 封裝類似，但其芯片采取倒裝的方式直接連接至器件底部的板上，而不是使用接合線連接至封裝板上。這些板可以置于芯片上的發(fā)熱功率器件的反面，因此它們通常以長條狀而不是小板狀布置。

這些封裝在芯片的表面采用了多排銅凸點粘接至引線框架。

FCQFN 封裝在芯片的表面采用了多排銅凸點粘接至引線框架

小通孔可置于板區(qū)域內(nèi)，類似于常規(guī) QFN 封裝。在帶有電源和接地層的多層板上，通孔可直接將這些板連接至各層。在其他情況下，銅區(qū)域必須直接連接至板，以便將 IC 中的熱量吸入較大的銅區(qū)域中。

下圖器件具有較長的電源和接地板，以及三個輸出口。請注意，該封裝只有 4 × 4 mm 大小。

FCQFN封裝IC的 PCB 布局

器件左側(cè)的銅區(qū)域為功率輸入口。這個較大的銅區(qū)域直接連接至器件的兩個電源板。

三個輸出板連接至器件右側(cè)的銅區(qū)域。注意銅區(qū)域在退出板之后盡可能地擴展。這樣可以充分將熱量從板傳遞到環(huán)境空氣中。

同時，注意器件右側(cè)兩個板中的數(shù)排小通孔。這些板均進行了接地，且 PCB 背面放置了一個實心接地層。這些通孔的直徑為 0.46 mm，鉆孔直徑為 0.25 mm。通孔足夠小，適合置于板區(qū)域內(nèi)。

綜上所述，為了使用電機驅(qū)動器 IC 實施成功的 PCB 設計，必須對 PCB 進行精心的布局。

編輯：黃飛

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