H桥驱动电路通用解析.docx
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H桥驱动电路通用解析
一、 背景
此问题一直想留给做小车的同学去研讨，期望他们在制作过程中能够悟出其中的道理。
可无奈等至今日也未见一文半字:
（ 却接到了无数的质询：
你为何要用分立元件构建H桥驱动？
为何不选择L298集成电路桥？
为何要使用MOS管？
等等……，逐个回复太累了，只好整理一下，汇总于此，供参考，有不妥之处望指正，更望能有人提出进一步的分析。
二、 分析内容界定
本文只涉及有刷直流电机 H桥驱动部分的电路，不讨论如何控制H桥？
如何实现PWM？
以及如何实现过流保护等；而且主要讨论构成H桥4个桥臂对性能的影响。
三、H桥原理简述
所谓H桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下：
从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“H桥驱动”。
4个开关所在位置就称为“桥臂”。
从电路中不难看出，假设开关A、D接通，电机为正向转动，则开关B、C接通时，直流电机将反向转动。
从而实现了电机的正反向驱动。
借助这4个开关还可以产生电机的另外2 个工作状态：
A） 刹车——将B、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。
B） 惰行——4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。
以上只是从原理上描述了H桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关（继电器）。
细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。
双极性晶体管构成的H桥：
MOS管构成的H桥：
以下就分析一下这些电路的性能差异。
四、几种典型H桥驱动电路分析
分析之前，首先要确定H桥要关注那些性能：
A） 效率——所谓驱动效率高，就是要将输入的能量尽量多的输出给负载，而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能量，具体到H桥上，也就是4个桥臂在导通时最好没有压降，越小越好。
B） 安全性——不能同侧桥臂同时导通；
C） 电压——能够承受的驱动电压；
D） 电流——能够通过的驱动电流。
大致如此，仔细考量，指标B）似乎不是H桥本身的问题，而是控制部分要考虑的。
而后两个指标通过选择合适参数的器件就可以达到，只要不是那些特别大的负载需求，每种器件通常都能选择到。
而且，小车应用中所能遇到的电流、电压更是有限。
只有指标A）是由不同器件的性能所决定的，而且是运行中最应该关注的指标，因为它直接影响了电机驱动的效率。
所以，经分析的重点放在效率上，也就是桥臂的压降上。
为了使分析简单，便于比较，将H桥的驱动电流定位在2A水平上，而电压在5-12V之间。
选择三个我所涉及到的器件：
A） 双极性晶体管—— D772、D882
B） MOS管—— 2301、2302
C） 集成电路H桥——L298
D772的压降指标如下：
D882的压降指标如下：
2301的压降指标如下：
因为MOS管是以导通电阻来衡量的，需要换算一下，小车的控制电压是4.5V，按上面的导通电阻计算，2A的压降应该是：
2*0.093=0.186V，最大是：
2*0.13=0.26V。
2302的压降指标如下：
同上换算一下，小车的控制电压是4.5V（电池电压），按上面的导通电阻计算，2A的压降应该是：
2*0.045=0.09V，最大是：
2*0.06=0.12V。
L298的压降指标如下：
表中第一行为上桥臂的压降，对应D772、2301，第二行为下桥臂的压降，对应D882、2302，第三行为两者之和。
对比一下不难看出，如果均以2A电流驱动计算，三种驱动自身所消耗的功率如下：
D772、D882：
（0.5+0.5）*2=2W
2301、2302：
（0.26+0.12）*2=0.76W
L298：
4.9*2= 9.8W
如果以驱动一个4.5V、2A的直流电机为例：
电机得到的功率是：
4.5*2=9W；
用D772、D882则需要供电5.5V，效率为：
9/（5.5*2）= 81% ；
用2301、2302 则需要供电4.88V，效率为：
9/（4.88*2）= 92%
用L298则需要供电9.4V，效率为：
9/（9.4*2）=48%
结论不言自明了吧！
从这组数据还可以看出三者的散热需求及其外形差异的原因。
同时解释了圆梦小车开始使用D772、D882驱动时为何选用3V的130电机，因为小车是4节充电电池供电，只有4.8~5V，H桥压降1V，所以只能使用3V的电机。
而改用MOS管驱动后，就选用了4.5V的N20电机，因为MOS管只带来了0.4V不到的压降。
而分析L298的压降你就会知道，如果你的电机需要2A左右的启动电流，那使用5V是根本无法工作的。
有一个同学托我代购了一片L298，结果回去后说是电机只抖动不转，我问他使用几伏电压，他告诉我5V:
（ 我只好请他仔细阅读L298的资料。
实际上使用L298不只是驱动压降限制了电机的供电电压，它的控制电平要求也使得你几乎无法使用低于6V的工作电压，看如下信息：
表中Vs为电机驱动的供电电压（L298分2路供电，一路是电机驱动的，就是H桥上的，一路是供给逻辑电路的），ViH是指逻辑控制输入高电平。
此参数的含义是，电机驱动电压必须大于逻辑控制电平2.5V，如果你的逻辑部分使用5V供电，那电机的供电电压至少7.5V，否则将无法保证正常工作。
除非你将逻辑控制电平降低。
很多同学用的都是L298，建议你们仔细分析一下，看看自己的设计是否符合L298手册所规定的工作条件，也许很多现象都能自己解释了
H桥驱动电路原理
发表于2008/9/1716:
27:
40
一、H桥驱动电路
图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：
图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。
如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图4.12H桥驱动电路
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。
例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图4.13H桥电路驱动电机顺时针转动
图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。
当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
图4.14H桥驱动电机逆时针转动
二、使能控制和方向逻辑
驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。
基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
图4.155所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。
4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。
而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。
（与本节前面的示意图一样，图4.15所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。
）
图4.15具有使能控制和方向逻辑的H桥电路
采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：
两个方向信号和一个使能信号。
如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.16所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。
图4.16使能信号与方向信号的使用
实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。
比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。
附两张分立元件的H桥驱动电路：
系统分类:
模拟技术
用户分类:
电机驱动
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