一种基于PWM控制的H桥功率驱动器的设计

ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｏｏｔｓｔｒａｐ ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｂｉｓｔａｂｌｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ｔｈｅ
ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｉｄｅａｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｕｓｉｎｇ ＥＤＡ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｏｔａｌ
Ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ｏｆ ＳＰＩＣ ｓｈｏｗｓ ａ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ
ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｏｓｔ，ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ，ａｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ，
ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｇｅｎｅｒａｔｅｓ ｗａｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｓｈｕｔｏｆｆ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｎ １４５℃ａｎｄ １７０＂Ｃ．
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２。Ｃ，ａｎｄ ａ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ
本文首先从系统的角度出发，对电路进行总体设计，确定了电路的功能模块 及模块之间的功能衔接。接着，根据项目的性能指标要求，详细设计并分析了本 电路中的电荷泵电路、自举电路、过温保护电路、电流取样电路四个功能模块及 ＰｗＭ速度反馈控制应用电路。这是本文的重点所在。其中的电荷泵上升时间数 学归纳分析法、自举电路上升时间微分分析法和双稳态过温保护电路是本文的创 新点。最后，本文在厂方提供的模型基础上利用ＥＤＡ软件对各个子电路及整体 电路进行了仿真，确保设计的电路能满足性能指标要求，并给出了仿真结果。
１）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 ２）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要 提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（Ｈ桥 或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 ３）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防 止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现 隔离。 ４）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源 污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 ５）可靠性。电机驱动电路应避免过温、过流、过欠压等极端情况的发生。
ｓｅｎｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｒｅ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ．Ａｍｏｎｇ
ｐｕｍｐ ｔｈｅｍ，ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ
ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ
本文提出了一种双稳态过温保护电路，利用双稳态概念引入正反馈产生滞 回，并且大大提高两个稳态之间的转换速度，设计后得出的过温保护电路分别在 １４５。Ｃ和１７０‘Ｃ产生报警和关断信号，转换速度在２＂Ｃ以内（比传统过温保护电路 提高了三倍以上），并有１００ｃ的滞回量。 关键词：ＰＷＭ：Ｈ桥：ＳＰＩＣ；电荷泵；自举电路；电流取样；双稳态
签名：受越』叠日期：加脚牛月，五日
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Ａｂｓｔｔａｃｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ．ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｌｌ Ｈ—Ｂｒｉｄｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ＤＣ ｏｒ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ．Ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ Ｓｍａｒｔ
ｆｅｅｄｂａｃｋ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｂｉｓｔａｂｌｅ ｓｔａｔｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａ
ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ
作者对电荷泵的上升时间采用数学归纳法得出其计算公式，并根据电荷泵上 升时间的性能指标要求确定了最小的内部集成电荷泵电容；为获得最短的自举电 路上升时间，本文采用了微分分析法，具体是先列出微分方程组描述正反馈的上 升过程。然后求解该方程组得出上升时间的表达式，再基于该表达式的二阶导数 分析单调性，确定了外接自举电容的大小，最终得出该段上升时间为６８ｌｎｓ。
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｎｅｓ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ
ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｐｕｍｐ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｂｏｏｔｓｔｒａｐ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｕｒｒｅｎｔ
ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ Ｃａｎ ｂｅ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ
ｍｏｎｏｔｏｎｉｃｉｔｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｃｏｎｄ—ｏｒｄｅｒ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｉＳ ｃａｒｒｉｅｄ ＯＵｔ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ
ａｎｄ ｓｕｂ－ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｅｘｉｓｔｅｄ ｍｏｄｅｌｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ
ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．
ｐｕｍｐ，ａｎｄ Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ
ｍｉｎｉｍｕｍ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｂｏｏｔｓｔｒａｐ ｃａｐａｃｉｔｏｒ，ａｎｄ ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｅｓｔ ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ Ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
Ａ ｂｉｓｔａｂｌｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ
ｏｆ １０℃ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＷＭ：Ｈ—Ｂｒｉｄｇｅ；ＳＰＩＣ；ｃｈａｒｇｅ ｐｕｍｐ；
ｓｅｎｓｉｎｇ： ｂｉｓｔａｂｌｅ
ｂｏｏｔｓｔｒａｐ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｃｕｒｒｅｎｔ
独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。
5a连续输出电流2a效率97开关频率300khz工作电压35v峰值供电电压45v低压部分工作电压12v电流取样输出377uaa功耗3w工作温度范围一55130第二章总体电路设计导通电阻03q过温报警温度145c电荷泵上升时间20us静态供电电流25ma无shootthrough现象过温关断温度170c欠压封锁电压lov过流保护关断电流ioa26h桥电流取样反馈控制电机速度的设计思路h桥功率驱动器设计的最终目的是为了实现对电机速度的控制电流取样电路输出的电压信号反映了负载电流的大小
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
签名：羔堑。盈
第一章引言
第一章引 言
１．１概况
经过四十年的发展，目前，功率电子已经形成了一个庞大的、复杂的并且跨 学科的研究领域。随着技术的进步、器件成本的降低、可靠性的提高，功率电子 的应用已经扩展到工业、化学、民用、军事、航空航天等各个领域。功率半导体 器件、模拟仿真技术、电子机械驱动、控制技术、模糊技术等领域不断的技术创 新正持续推进功率电子向更深更广的方向发展。随着模糊逻辑和人工神经网络等 人工智能技术的出现，这一领域必将展现更广阔的发展前景。
智能功率集成电路（ｓＰｉＣ）是当今功率电子技术的核心技术，它是将高压功率 器件与低压逻辑电路和模拟电路用ＶＬＳＩ技术制作而成的单片电路，其体积、重 量小，可靠性强，同时ＳＰＩＣ具有传感、检测和自我保护功能，可以保护ＳＰＩＣ本 身和系统【１－５】。功率驱动电路是～种典型的智能功率集成电路，主要用于电机的 驱动和控制。
电子科技大学 硕士学位论文 一种基于PWM控制的H桥功率驱动器的设计 姓名：吕连国 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：李肇基
20050408
摘要
摘要
本文主要阐述了一种基于ＰＷＭ控制、应用于直流及步进电机驱动的Ｈ桥 功率驱动器的电路设计。作为一种典型的智能功率集成电路（ＳＰＩＣ电路），该 电路采用的是先进的ＢＣＤ工艺，主要性能指标为：供电电压３５Ｖ、连续输出电 流２Ａ、输出开态导通电阻０．３Ｑ。智能功率集成电路（ＳＰＩＣ）的出现对提高系 统的可靠性，降低其成本、重量和体积，实现汽车、工业、通讯等领域中系统 的小型化、智能化有着重要的意义。
ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｈａｒｇｅ ｐｕｍｐ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ
ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｍｉｎｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｒｉｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｂｏｏｔｓｔｒａｐ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｎａｍｅｌｙ，ａ ｆｅｗ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｆｉｒｓｔｌｙ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｒｉｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｅｃｏｎｄｌｙ，
ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｉｎ ｍｏｔｏｒ，ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ．
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｆｉｒｓｔｌｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ｏｆ
ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｕｌｅｓ ｎｅｅｄｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ第一章引言１Fra bibliotek２国内外发展动态
ＳＰＩＣ最早出现在七十年代后期，当时人们提出将功率器件与ｌＣ单片集成 的功率集成电路（Ｐｏｗｅｒ ＩＣ，ＰＩＣ）。它是微电子技术和电力电子技术相结合的 产物，它不但提供一定的功率输出能力，并且具有逻辑、控制、传感、检测、 保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、保护电路，可实现过流、欠压和过压 等保护，还可实现电机的再生制动。外界只需提供ＰＷＭ信号，就可以实现比 以往电路更复杂的功能。系统中的元件数、互连数和焊点数的减少，不仅提高 了系统的可靠性，而且减小了体积、重量和成本。但由于当时的主流功率器件 为双极晶体管、ＧＴ０和ＳＲＣ等，它们所需的驱动电流大，驱动和保护电路复 杂，ＳＰＩＣ的研究并未取得实质性进展。直至八十年代，由ＭＯＳ栅控制，具有 高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型ＭＯＳ类功率器件如ＤＭＯＳ、 ＩＧＢＴ的出现使得驱动电路简单且容易与功率器件集成，才带动了ＰＩＣ的发展， 但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了ＰＩＣ的应用。进入九十年代后，ＰＩＣ 的设计与工艺水平不断提高。性能价格比不断改进。ＰＩＣ才逐步进入了实用阶 段。
在直流电机驱动电路的设计中，一般主要考虑一下几点： １．功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动， 只要用～个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双 向转动时，可以使用由４个功率元件组成的Ｈ桥电路或者使用一个双刀双掷的继 电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极 管．场效应管等丌关元件实现ＰｗＭ（脉冲宽度调制）调速。 ２．性能：对于ＰＷＭ调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。
Ｐｏｗｅｒ ＩＣ（ＳＰＩＣ），ｔｈｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｕｌｔｉ—ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ｎａｍｅｄ ＢＣＤ ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｂｉｐｏｌａｒ ａｎｄ ＣＭＯＳ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ ｗｉｔｈ ＤＭＯＳ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｎ
ｔｈｅ ｓａｍｅ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｃｈｉｐ．Ｗｉｔｈ ｏｎ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ０．３ Ｑ ｐｅｒ ｓｗｉｔｃｈ，ｔｈｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｒｌ ｄｅｌｉｖｅｒ ｕｐ ｔｏ ２Ａ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ，ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｅ ａｔ ｓｕｐｐｌｙ ｖｏｌｔａｇｅｓ ｕｐ ｔｏ ３５Ｖ．