MOS管半桥驱动芯片原理

吴少琴的模电课

自举升压就是通过对一个电容充电，然后用一个可以跳动的电压将电容的负压端举高，因为电容两端的压差不能突变，那么正压端就会获得一个相较于电源地更高的电压。
+ D) F# m) Q1 G+ v& _一、芯片IR210x系列是驱动MOS半桥电路的专用芯片，通过外部二极管D1与电容C1获得自举电源（二极管可以防止升压后电源倒灌），用来驱动上端MOS管，浮地端对应VS,升压后电源正极对应VB。

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从半桥驱动芯片功能框图可以看到，实际输出MOS驱动脚类似推挽输出结构，驱动上端MOS的引脚HO，输出高电平时，其引脚实际高电平电压为VB脚电压，输出低电平时，其引脚实际低电平电压为VS脚电压。
输出电平—> 高电平 低电平
HO VB VS
4 t  D' p, z6 _) L: NLO VCC COM
! h' V% t2 p! r7 G( W0 @因为MOS管的导通电压为Vgs(th)（一般小于VCC）,那么下端MOS管Q4导通只需要在Q4的G极输出高电平（S极接地为0V），即LO引脚输出的VCC要大于等于Vgs(th)即可 ；
1 N$ {% {( a' G! [. L对于上端MOS管Q2，如果HO引脚输出的VB等于VCC，Q2在导通一瞬间，VBUS电压导通至A+点（Q2的S极），Q2的Vgs = VCC - VBUS ，一般VBUS大于VCC，此时Vgs 小于Vgs(th)导致Q2断开。
! b6 d. w% d2 S. A! m所以上端MOS管Q2不能简单的和下端MOS管Q4一样施加大于等于Vgs(th)的方式，需要通过自举升压电路，不会因为上端MOS管Q2导通后S极电压升高而关断，这就要求其G极与S极的压差始终大于等于Vgs(th)。
' b3 s8 r4 {$ A6 W5 Z  `对于上端MOS管Q2，自举升压后，VB点电压可抬高至VCC+VBUS，HO引脚输出高电平VB，Vgs 始终大于等于VCC，且VCC大于Vgs(th) ，可实现Q2导通。
" j& y; k+ X, a4 v0 f6 }! l) f需要注意的是，外部半桥中上下MOS管不能同时导通 ，避免VBUS直接施加到地导致短路。该类半桥驱动芯片通常会自带死区保护时间，即一个MOS管关闭后，需要打开另一个MOS管时，芯片不会立即响应，会延时一定时间再打开，参数deadtime。选型时可以关注是否自带死区时间，减轻编程负担；死区时间是否大于MOS管的关断时间，避免短路。
  H( i- ?, L- T+ ?二、接下来两幅图分别为半桥驱动芯片FAN73933的典型应用电路和内部功能框图，图中R_Boot、D_Boot以及C_Boot分别为自举电阻、二极管和自举电容。
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4 f9 r5 y; }& M/ ?+ W6 s3 \假定自举电容C_Boot在上桥开关管关断期间已经充到足够的电压（约15V），当HIN高电平时，VM1开通、VM2关断，自举电容上的电压直接加到上桥开关管的门极和发射极，自举电容通过VM1、R1和上桥开关管的门极-集电极电容放电（上桥开关管的门极-集电极电容被充电），此时，自举电容的电压可以看做一个电压源。
( X+ |( V, J- ~- [0 \当HIN低电平时，VM2开通、VM1关断，上桥开关管门极的电荷通过R1和VM2迅速释放，上桥开关管关断。
8 @. Q1 y; H! k- H( l经过短暂的死区时间之后，LIN为高电平，下桥开关管开通，15V电源通过R_Boot、D_Boot和下桥开关管给C_Boot充电，迅速为C_Boot补充能量。如此循环反复。
注：驱动电阻的选取直接关系到开关管的开通和关断速度，进而影响到其开关损耗（开通损耗和关断损耗），进一步地影响功率模块的温升。
3 x8 s, g8 t8 c# g; _' [三、搭建的H桥驱动电路详解
1.简介
; H0 `  f# U3 \* t9 T( E: i在学习此部分之前，需要先掌握基础H桥驱动的工作原理，具体可参看此篇博客：电机驱动芯片（H桥、直流电机驱动方式）
自行搭建的H桥驱动电路一般都包括两个部分：半桥/全桥驱动芯片和MOS管。自行搭建的H桥驱动所能通过的电流几乎由MOS管的导通漏极电流所决定。因此，选择适当的MOS管，即可设计出驱动大电流电机的H桥驱动电路。
9 c" C4 Y7 T/ R% i  A2.NMOS管IRLR7843
1 v5 Y" v- ?7 q. g* [在选择MOS管搭建H桥时，主要需注意以下一些参数：
★1.漏极电流（Id）：该电流即限制了所能接入电机的最大电流（一般要选择大于电机堵转时的电流，否则可能在电机堵转时烧毁MOS管），LR7843的最大漏极电流为160A左右，完全可以满足绝大部分电机的需要。
★2.栅源阈值电压/开启电压（Vth）：该电压即MOS管打开所需的最小电压，也将决定后续半桥驱动芯片的选择和设计（即芯片栅极控制脚的输出电压）。LR7843的最大栅源阈值电压为2.3V。
★3.漏源导通电阻（Rds）：该电阻是MOS管导通时，漏极和源极之间的损耗内阻，将会决定电机转动时，MOS管上的发热量，因此一般越小越好。LR7843的漏源导通电阻为3.3mΩ。
★4.最大漏源电压（Vds）：该电压是MOS管漏源之间所能承受的最大电压，必须大于加在H桥上的电机驱动电压。LR7843的最大漏源电压为30V。满足7.4V的设计需要。
2 B9 I" x+ s# w0 R3.半桥驱动芯片IR2104S
& O( L% i, J  @0 c, F在H桥驱动电路中，一共需要4个MOS管。而这四个MOS管的导通与截止则需要专门的芯片来进行控制，即要介绍的半桥/全桥驱动芯片。
. D- b4 T1 k7 K! {7 O$ ~$ p★所谓半桥驱动芯片，便是一块驱动芯片只能用于控制H桥一侧的2个MOS管（1个高端MOS和1个低端MOS，在前述推荐的博客中有介绍）。因此采用半桥驱动芯片时，需要两块该芯片才能控制一个完整的H桥。
★相应的，全桥驱动芯片便是可以直接控制4个MOS管的导通与截止，一块该芯片便能完成一个完整H桥的控制。
这里使用的IR2104便是一款半桥驱动芯片，因此在原理图中可以看到每个H桥需要使用两块此芯片。
* g  v$ f7 R7 S9 B, \1.典型电路设计（来源于数据手册）

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2.引脚功能（来源于数据手册）

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★VCC为芯片的电源输入，手册中给出的工作电压为10~20V。（这便是需要boost升压到12V的原因）
  l: K% B9 d8 U★IN和SD作为输入控制，可共同控制电机的转动状态（转向、转速和是否转动）。
# r2 ~% Z( a% i★VB和VS主要用于形成自举电路。（后续将详细讲解）
★HO和LO接到MOS管栅极，分别用于控制高端和低端MOS的导通与截止。
  ^, ?3 H4 s% x★COM脚直接接地即可。
3.自举电路
0 k6 l) L0 b2 M4 K$ Y" X此部分是理解该芯片的难点，需要进行重点讲解。从上面的典型电路图和最初的设计原理图中均可发现：该芯片在Vcc和VB脚之间接了一个二极管，在VB和VS之间接了一个电容。这便构成了一个自举电路。
作用：在高端和低端MOS管中提到过，由于负载（电机）相对于高端和低端的位置不同，而MOS的开启条件为Vgs>Vth，这便会导致想要高端MOS导通，则其栅极对地所需的电压较大。
: V! _" H1 n5 o, W& X6 @8 O4 A# P补充说明：因为低端MOS源极接地，想要导通只需要令其栅极电压大于开启电压Vth。而高端MOS源极接到负载，如果高端MOS导通，那么其源极电压将上升到H桥驱动电压，此时如果栅极对地电压不变，那么Vgs可能小于Vth，又关断。因此想要使高端MOS导通，必须想办法使其Vgs始终大于或一段时间内大于Vth（即栅极电压保持大于电源电压+Vth）。
首先看下IR2104S的内部原理框图（来源于数据手册）。此类芯片的内部原理基本类似，右侧两个栅极控制脚（HO和LO）均是通过一对PMOS和NMOS进行互补控制。
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8 q9 D- B. ?8 B6 g6 \, w, ?自举电路工作流程图：
以下电路图均只画出半桥，另外一半工作原理相同因此省略。
. s0 H3 z4 B: I9 l: U假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的开启电压Vth=6V（不用LR7843的2.3V，原因后续说明）。
（1）.第一阶段：首先给IN和SD对应的控制信号，使HO和LO通过左侧的内部控制电路（使上下两对互补的PMOS和NMOS对应导通），分别输出低电平和高电平。此时，外部H桥的高端MOS截止，低端MOS导通，电机电流顺着②线流通。同时VCC通过自举二极管（①线）对自举电容充电，使电容两端的压差为Vcc=12V。
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/ b9 k; K9 n# y! N# d1 C6 I（2）.第二阶段：此阶段由芯片内部自动产生，即死区控制阶段（在H桥中介绍过，不能使上下两个MOS同时导通，否则VM直接通到GND，短路烧毁）。HO和LO输出均为低电平，高低端MOS截止，之前加在低端MOS栅极上的电压通过①线放电。

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（3）.第三阶段：通过IN和SD使左侧的内部MOS管如图所示导通。由于电容上的电压不能突变，此时自举电容上的电压（12V）便可以加到高端MOS的栅极和源极上，使得高端MOS也可以在一定时间内保持导通。此时高端MOS的源极对地电压≈VM=7.4V，栅极对地电压≈VM+Vcc=19.4V，电容两端电压=12V，因此高端MOS可以正常导通。

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（此时，自举二极管两端的压差=VM，因此在选择二极管时，需要保证二极管的反向耐压值大于VM。）
2 N8 S) r. A8 [( w注意：因为此时电容在持续放电，压差会逐渐减小。最后，电容正极对地电压（即高端MOS栅极对地电压）会降到Vcc，那么高端MOS的栅源电压便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V
补充总结：
★因此想要使高端MOS连续导通，必须令自举电容不断充放电，即循环工作在上述的三个阶段（高低端MOS处于轮流导通的状态，控制信号输入PWM即可），才能保证高端MOS导通。自举二极管主要是用来当电容放电时，防止回流到VCC，损坏电路。
★但是，在对上面的驱动板进行实际测试时会发现，不需要令其高低端MOS轮流导通也可以正常工作，这是因为即使自举电容放电结束，即高端MOS的栅源电压下降到4.4V仍然大于LR7843的Vth=2.3V。
那么在上述驱动板中，自举电路就没有作用了吗?当然不是，由于MOS管的特性，自举电路在增加栅源电压的同时，还可令MOS管的导通电阻减小，从而减少发热损耗，因此仍然建议采用轮流导通的方式，用自举电容产生的大压差使MOS管导通工作。
! d7 _  k& q/ m8 V" o9 c3 n4.控制逻辑
# }0 ^7 J# l" F1 a5 B3 V8 |时序控制图：

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6 E/ _% C3 P" d6 |2 t简单看来，就是SD控制输出的开关（高电平有效），IN控制栅极输出脚的高低电平（即H桥MOS管的开关）。
在最上面的驱动板中，SD接到VCC，即处于输出常开状态。只需要对IN脚输入对应控制信号即可进行电机的驱动。
' ]- G/ D% l1 L上面为半桥的驱动方式，驱动一个H桥要同时对两个IR2104进行控制。
以上面设计的电机驱动板为例，驱动真值表：

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改变PWM的占空比，即可改变电机的转速。
五.相关补充
★1.自举二极管一般选用肖特基二极管（比如上述驱动板中的1N5819）。
在自举电容选择时，其耐压值需大于Vcc并留有一定余量（如上述驱动板中为16V的钽电容）。而自举电容的容值选择需要一定的计算。具体可自行查找或参看此链接：自举电容的选择。此驱动板中选用1uF的钽电容，经测试运行稳定。一般来说，PWM的输入频率越大（即电容充放电频率），电容所需容值越小。
- j" r) }% k, Q9 Y★2.H桥MOS管栅极串联的电阻主要用于限流和抑制振荡。为了加快MOS管的关断还可以在栅源之间并联一个10K电阻或在栅极串联电阻上反向并联一个二极管。这部分内容网上可找到较多介绍。