H桥电路设计实例、拓扑结构、PCB设计

关于H桥，前面几篇篇文章基本上讲的差不多了，大家如果想看，可以点击下面文章去详细了解。电路一点通汇总了主要是关于H桥设计。

一、H桥基本拓扑结构

下图显示了H的基本拓扑结构：

H桥基本拓扑结构

在一般的设计中，开关通常是某种晶体管（双极型、MOSFET、 IGBT）。开关对角闭合（左上角和右下角或者右下角和左下角）在任一方向将电源连接到负载。

二、H桥需要克服的问题

H桥存在有2个问题：避免击穿和驱动高端晶体管。

击穿是指左侧两个开关或右侧两个开关同时闭合的情况，这肯定会导致短路，这是一个坏事，可能会损坏开关或者其他组件。

下图显示了这里说的情况。

有2种可能发生这种情况的方式，一个是应用了非法控制信号，例如由于软件错误。

另一个是从一种极性切换到另一种极性时，栅极驱动信号中存在短暂且无意的重叠。

左侧的两个开关意外同时导通，导致大的短路电流流过

驱动高侧晶体管是相对比较难的部分，因为高侧晶体管以相对较高的电源电压为参考而不是以地为参考，控制信号（通常来自微控制器或类似设备）以地为参考，因此需要某种电平转换电路。

三、设计H桥电路

主要是为了驱动5相双极步进电机，Iw = 0.21 A，Rw = 32 ohms，因此H桥需要能够支持6.7V的驱动电压。

1、设计选择

大约200mA的电流不是特别高，使用双极晶体管（BJT）作为开关。对于更高的电流，必须使用具有较低电流增益的强大功率晶体管，就需要大量的基极电流，这样实际上不好处理，并会导致大量损耗和需要消散的热量。

这里打算在电流和电压处理要求上留出一些余量来构建电桥，使用MOS管来避免BJT的静态基极电流引起的功率耗散问题。

对于给定的导通电阻，就元器件尺寸（成本）和栅极电容而言，NMOS管晶体管的效率大约是PMOS晶体管的3倍，因此对于高功率设计，上下开关都使用NMOS晶体管是有利的。

但是将NMOS管用于上部开关有一个问题：NMOS管需要高于桥电源电压的栅极电压。如果使用PMOS管，低于电源电压的栅极电压是足够的。为了避免额外的电源电压，并且由于电流相当低，因此合适的PMOS管的成本不高。

最后我决定使用PMOS管作为顶部开关，NMOS管作为底部开关。

2、H桥驱动电路信号生成

这里为了避免设计安全，即使微控制器代码中的错误就永远不会导致严重情况发生。因此需要注意以下2件事情：

1、使用一些逻辑门用于控制信号（启动/方向）转换为打开左上/右上或者右上/左下的内部信号，

2、为了避免在方向信号变化期间发生短暂的直通，最好在晶体管的导通信号中引入延迟，而且让关断信号尽快通过，因此引入一个短暂的时期，在极性切换期间没有晶体管导通。

下图显示了一种概念性解决方案，实现了启用/方向控制信号和栅极信号之间的切换，并在晶体管即将导通时引入了延迟。

H桥的栅极驱动信号如何生成的电路图

H桥的栅极驱动信号生成原理

两个ADN 门允许使能信号断开控制信号与MOS管栅极的连接，二极管/电阻组合使电容的充电速度比放电速度慢，因此当晶体管即将导通时，栅极驱动信号到达晶体管所需的时间比晶体管即将截止的时间更长。

通过让来自与门的栅极控制信号对角地控制晶体管，来自与门之一的电平变化打开或者由门控制的两个晶体管。仅使用2个延迟电路就可以控制4个晶体管的时序。

反相器I2和I3需要将与门的逻辑电平转换为适合驱动晶体管的电压。

四、详细设计

1、设计原理图

完整的（双）H桥的示意图

2、逻辑门的选择

下图的与门需要有施密特触发器输入，因此与门是由相对缓慢变化的电压驱动的。使用或非门会使使能信号处于低电平状态，但这并不是缺点。使用或非门的一个优点是反相器 I1 可以通过或非门实现。然后单个逻辑IC就可以满足H桥的要求。

这里需要使用2个用于H桥的逻辑IC来提供所需的NAND门和4个反相器。"240 系列逻辑电路中有八进制反相器可用，连同"32 四路与非门，有足够的门用于两个桥。所以最后还是在同一块板上构造了2座H桥。下图显示了最终的设计。

逻辑门和不对称时序电路的示意图

可以使用几个不同的逻辑系列，因为我想要具有CMOS输入电平的NAND门，这也意味着施密特触发器输入将以电源电压的一半进行切换，同时我还希望反相器具有CMOS输出用来驱动NFET高达5V。

因此NAND门可以是 HC或者AC系列，而反相器可以是HC、HCT、或者AC等。

最后 2个地方都是使用的HC，将HCT用于反相器用来适应方向信号上的TTL电平并不好，因为启用信号无论如何都必须有CMOS电平。

3、其他输入级选择

这里我在输入信号上放置了下拉电路，将它们保持在有效且安全的逻辑电平，防止某些输入有时没有连接。CMOS输入具有非常高的阻抗，不然很容易拾取噪声。

为了限制电容充电时的电流浪涌，在二极管/电阻对桑串联了一个额外的330Ω电阻，另一个电容和电阻的值先手工计算大致计算确定，然后进行模拟，在电路完成后进行微调，保证没有击穿。

4、高侧驱动器

高侧PMOS晶体管的驱动电路需要反转信号并增加电机电源电压的摆幅，该电压至少为7V，必须能够相对地对FET的栅极电容进行充电和放电。当较低的NMOS管快速拉动漏极电压时，即使寄生栅极电容将其拉低，PFET也会保持关闭状态向下。

高侧驱动器

上图显示了完整的驱动电路。反转和电平移位由NPN晶体管Q9处理。该晶体管的关闭速度非常慢。因为如果没有从基极到集电极的肖特基二极管防止饱和，就会处于饱和状态。这和LSTTL逻辑内部用于加速切换的技术相同。

Q5作射极跟随器连接。并在PMOS晶体管关闭时向电源轨提供所需的低组狼。仅依靠R6将栅极拉高会显著拉高晶体管关闭的时间，但是这里更重要的是。当快速发生变化时，电阻无法将栅极保持在高电平。

由于较低的 NMOS 导通，PMOS 晶体管的漏极处出现压降（大的负 dV/dt）。当 PMOS 导通时，二极管 D5 提供将栅极拉低的路径。这里使用 PNP 射极跟随器来稍微加快开启速度。

小栅极电阻 R7 可限制栅极电流浪涌并降低栅极电路中出现振铃的风险。

5、电路其余部分

这里显示了电桥电路的其他部分

其他电路

驱动NMOS管要简单一点，将普通的栅极电阻（R8）连接在反相器的输出和栅极之间就可以。

这里在NMOS管的源极引线中添加了一个电流检测电阻。方便测量电流并且验证是否发生击穿。选择1Ω作为获得示波器测量的合适电压和最小化损耗之间的折中方案。

在0.2 A 电流下，我们得到 0.2 V 压降，与 6 或 7 V 电源电压相比，这相对较小。测试完成后，可以用 0 Ω电阻替换 1 欧姆电阻。

对于 MOSFET，选择了 IRF7343，是采用单个 SO8 封装的 NMOS/PMOS 组合，是价格、可用性和导通电阻的综合选择。

这里还在H桥输出上添加了LED，可以直观地指示电路的状态。但是对于成品来说，最好不要使用LED。

五、H桥电路PCB设计成品图

最后决定将双H桥电路放在双面PCB上，将所有外部信号拉到单排排针，而不是设计一个包含H桥、微控制器、电源等完整的PCB，这样可以最大程度低减少工作量，从而完成项目的H桥部分。如果有必要的化，可以始终将H桥与电路板上的其他电路集成在一起。

下面为最终的成品图。

H桥电路PCB设计成品图

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　审核编辑：汤梓红