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H 橋（全橋）驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)有刷直流電機(jī)等負(fù)載中非常流行，廣泛用于機(jī)器人和工業(yè)。使用 H 橋驅(qū)動(dòng)器的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高、旋轉(zhuǎn)方向改變和制動(dòng)電機(jī)。在這篇文章/視頻中，我介紹了一個(gè)完整的 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它使用四個(gè) IR3205 功率 MOSFET 和兩個(gè) IR2104 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。理論上，上述 MOSFET 可以處理高達(dá) 80 A 的電流；然而，在實(shí)踐中，如果 MOSFET 溫度保持盡可能低，使用大散熱器甚至風(fēng)扇，我們可以期望獲得高達(dá) 40 A 的電流。

電路分析
圖1顯示了H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理圖。很明顯，電路的核心是兩個(gè) IR2104 MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片。

圖 1：H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器示意圖

我選擇了 4 IR3205 ¹進(jìn)行切換。該 MOSFET 提供了對該應(yīng)用至關(guān)重要的良好特性，非常低的 R _DS(on)電阻和高電流處理能力。根據(jù) IRF3205 數(shù)據(jù)表：“International Rectifier 的先進(jìn) HEXFET 功率 MOSFET 采用先進(jìn)的處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)每硅面積極低的導(dǎo)通電阻。這一優(yōu)勢與 HEXFET 功率 MOSFET 眾所周知的快速開關(guān)速度和堅(jiān)固的器件設(shè)計(jì)相結(jié)合，為設(shè)計(jì)人員提供了一種極其高效和可靠的器件，可用于各種應(yīng)用。TO-220 封裝是所有商業(yè)工業(yè)應(yīng)用的普遍首選，功耗水平約為 50 W。TO-220 的低熱阻和低封裝成本有助于其在整個(gè)行業(yè)中的廣泛接受。

我選擇了兩個(gè) IR2104 ²來驅(qū)動(dòng) MOSFET。根據(jù) IR2104 數(shù)據(jù)表：“IR2104(S) 是高壓、高速功率 MOSFET 和 IGBT 驅(qū)動(dòng)器，具有相關(guān)的高側(cè)和低側(cè)參考輸出通道。專有的 HVIC 和鎖存免疫 CMOS 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的單片結(jié)構(gòu)。邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn) CMOS 或 LSTTL 輸出兼容，低至 3.3V 邏輯。輸出驅(qū)動(dòng)器具有高脈沖電流緩沖級，專為最小化驅(qū)動(dòng)器交叉?zhèn)鲗?dǎo)而設(shè)計(jì)。浮動(dòng)通道可用于驅(qū)動(dòng)高端配置中的 N 通道功率 MOSFET 或 IGBT，其工作電壓范圍為 10 至 600 V。”

IR2104 的好消息是該芯片兼容 3.3-V 和 5-V 邏輯電平。圖 2顯示了芯片的基本接線圖。很明顯，芯片和負(fù)載（電機(jī)）的電源不需要相同；然而，這兩種電源有一個(gè)共同點(diǎn)。

圖2：IR2104 MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片接線圖

C1、C3、C4、C5、C6、C7 和 C9 已用于降低噪聲。R1 和 D2、R2 和 D3、R3 和 D8 以及 R4 和 D9 已用于抑制在 MOSFET 開/關(guān)時(shí)可能由電感器和電容器引入的振鈴和寄生效應(yīng)。不要忘記 MOSFET 在其柵極引腳上引入了一個(gè)電容。1N4148 二極管對柵極電容放電。

D4、D5、D6 和 D7 ³用于抑制直流電機(jī)的反向電流尖峰。內(nèi)部反向肖特基二極管已嵌入 MOSFET；然而，使用這些外部肖特基二極管也可以降低內(nèi)部二極管的應(yīng)力。根據(jù)數(shù)據(jù)表和應(yīng)用要求選擇 C2、C8、D1 和 D10。

P1 是一個(gè)五針 XH 連接器，用于將芯片的電源和控制信號施加到板上。K1 是一個(gè) KF45 電源連接器，用于將電機(jī)和電機(jī)的電源線連接到板上。

PCB 布局
圖 3顯示了 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 PCB 布局。它是兩層PCB板，所有元件封裝都是通孔的。

圖 3：H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 PCB 布局

圖 4顯示了 PCB 板從頂部和底部的 3D 視圖。

圖 4：電路板頂部和底部的 3D 視圖

我沒有 IR2104 ⁴和 IRF3205 ⁵（組件庫）的原理圖符號和 PCB 封裝，因此我使用了 SamacSys 組件庫并使用 SamacSys Altium Designer 插件安裝了缺少的庫（圖 5）。SamacSys 為幾乎所有著名的電子設(shè)計(jì)軟件提供了插件（圖 6）。有趣的是，所有服務(wù)都是免費(fèi)的，圖書館遵循 IPC 標(biāo)準(zhǔn)。您只需要下載并使用您喜歡的 CAD 插件。⁶另一種選擇是從 ComponentSearchEngine.com 下載庫并導(dǎo)入它們。

圖 5：SamacSys Altium 插件中的選定組件

圖 6：SamacSys 插件支持的電子設(shè)計(jì) CAD 軟件

阻焊層沒有完全覆蓋高載流軌道。這使您可以通過焊接或使用一些粗銅線來加強(qiáng)軌道。圖 7顯示了這些部分暴露的軌跡。

圖 7：部分裸露的高載流 PCB 走線

組裝和測試
圖 8顯示了組裝好的單元，圖 9顯示了測試環(huán)境。我已經(jīng)對 Arduino Uno 進(jìn)行了編程來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。我還在原型板上構(gòu)建了一個(gè)簡單的鍵盤，以便能夠改變電機(jī)的速度（使用 PWM）和旋轉(zhuǎn)方向。

圖 8：組裝好的 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

圖 9：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、Arduino Uno 和測試臺

所有按鈕均為低電平有效，并使用 Arduino 的內(nèi)部上拉電阻。您可以考慮下面的 Arduino 代碼：

#include

int PWM_Value;

字節(jié) Enable_Pin = 13；

字節(jié) PWM1_Pin = 11；

字節(jié) PWM2_Pin = 10；

字節(jié) PWM_Pin = 11；

按鈕 UP(9, 25, true, true);

Button Down(8, 25, true, true);

左按鈕（7、25、true、true）；

按鈕右（6、25、真、真）；

?

無效設(shè)置（）{

?

pinMode（Enable_Pin，輸出）；

pinMode（PWM1_Pin，輸出）；

pinMode（PWM2_Pin，輸出）；

?

UP.開始（）；

Down.begin();

Left.begin();

對。開始（）；

?

digitalWrite（Enable_Pin，低）；

PWM_Value = 0；

?

模擬寫入（PWM1_Pin，PWM_Value）；

模擬寫入（PWM2_Pin，PWM_Value）；

}

?

無效循環(huán)（）

{

?

digitalWrite(Enable_Pin, HIGH);

UP.read();

Down.read();

Left.read();

對.read();

?

if (UP.wasReleased() && PWM_Value < 250)

{

PWM_Value +=5；

}

?

if (Down.wasReleased() && PWM_Value > 5)

{

PWM_Value -=5；

}

?

if (Left.wasReleased())

{

PWM_Pin = PWM1_Pin；

模擬寫入（PWM2_Pin，0）；

}

?

if (Right.wasReleased())

{

PWM_Pin = PWM2_Pin；

模擬寫入（PWM1_Pin，0）；

}

?

模擬寫入（PWM_Pin，PWM_Value）；

}

材料清單
圖 10顯示了材料清單。

圖 10：H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的材料清單

　　審核編輯：湯梓紅