• DC电机概述

       DC电机通常指直流有刷电机，有着控制方式简单，调速性能优良，成本低的特点，其市场占有率非常高；在家电及工具领域有着大量的应用；其种类按照电压来分为低压直流电机和高压直流电机，其控制方式大体相同。典型电路如下：

N-MOS 低端驱动电路

     由于电机产品一般电流较大，基本采用MOS管驱动，采用N-MOS管低端驱动控制简单，成本低，应用范围广。

  • 原理图

  • 电路原理分析

        若Q3控制极电压VGS<3V时：当MCU给出控制信号EN为高时，通过R6使Q3的G极电压为高，MOS管处于导通状态，电机工作；当MCU给出的控制信号为低时，Q3的G极积累的电荷通过D6快速释放，使得Q3快速截止；（一般大功率MOS管G极结电容比较大，开启的高电平充电后，释放需要时间，D6快速释放电荷，达到快速关闭MOS管的效果，从而降低开关损耗），电机通过D2进行电流续流释放能量；

        若Q3控制极电压VGS>3V时：当MCU给出控制信号EN为低时，TR1截止，电源通过R28与R7分压得到9V的G极电压，使得MOS 管Q3导通，电机工作，当MCU为高时，TR1导通，Q3的G极被下拉到接近0V，使得Q3快速截止，电机通过D2进行电流续流释放能量。

  • 参数选型及分析:

  •  应用场合说明：

        该电路应用于常规的低压DC直流电机，对于开关损耗无严格要求的电路，若在无调速要求或低速要求控制下，可省略D6

  • 注意事项：

       应用时，应根据电源及电机负载特性，根据备注中合理选择D2和Q3值；同时对于调速要求应用中，需要注意静态损耗和开关损耗带来的温升。

P-MOS 高端驱动电路

       P-MOS高端驱动一般应用于较小的电机负载电路，因大功率的P-MOS成本比N-MOS高，所以在大功率驱动电路应用较少。

  • 原理图

 

  •  电路原理分析

         当IO口为低或者高阻态时，TR1截止，R2上拉到电源时，使得Q2的VGS=0V,Q2截止，电机无输出；当IO口为5.5V/3.3V时，TR1饱和导通，Q2栅极G电压拉到0.3V以下，VGS=-17.7V，Q2饱和导通；Q2从导通到关闭过程，通过D4续流。

  • 参数选型及分析:

  •  应用场合说明：

         该电路应用于常规的低压小功率DC直流电机电路，正逻辑驱动；

  • 注意事项：

         使用时，注意电源电压不能大于MOS管的VGS最大值；并注意静态损耗和开关损耗带来的温升；P-MOS成本因素也得在实际项目中进行考量。

推挽驱动电路

       推挽输出主要针对功率较大的电机驱动应用，能够提供较好的速度调节，减少开关损耗，较高的效率；典型应用电路有两种，一种采用P-MOS与N-MOS对管直接驱动，另一种是采用双N-MOS管加预驱动电路（IC）实现；前者因P-MOS管成本问题，往往应用于小功率，若需要采用，参考本文前两个高低端驱动案例即可；后者则在大功率驱动电路中有较明显的优势；

原理图：

  •  电路原理分析：

       U1(IRS2301)为预驱动芯片，内部集成了死区时间控制模块（避免上下MOS管同时导通),与外部R1,D1,C10组成自举升压电路，驱动上管Q1的可靠导通；当H_IN为低，L_IN为高时，电源通过电机M2，Q4开启工作；当H_IN为高，L_IN为低时，Q4关闭，电机M2通过Q1续流释放能量，不断调整H_IN/L_IN的占空比实现速度调节；

  • 电路参数选型及分析
符号 元件名称 参考型号 备注
Q1、Q4 场效应管

N-MOSFET TO-220 120A/75V STP160N75F3

 根据电机功率大小选择，有调速要求情况下需注意开关频率大于载波频率
M2 电机 18V 300W
R4,R9 贴片电阻 0603 1M J 1/10W 上下拉电阻用于非工作状态情况下避免导通；
D3,D5 贴片稳压二极管 ZEN SOT-23 20V 5% 0.35W BZX84C20V MOS管栅极电压保护，根据实际情况可以考虑去掉
C2 贴片电容 0603 1N 50V M 改善G极信号上升沿过冲尖峰
R5,R8 贴片电阻 0603 100R J 1/10W 用于防止快速开关时di/dt而产生震荡
C10 贴片铝电解电容 SMD4*5.5 4U7 M 25VDC 自举电容，也可以选用贴片陶瓷电容，容量计算参考实际U1数据手册
D1 贴片开关二极管 SW SOD-323S 1N4148WS 自举二极管，也可以选择肖特基
R1 贴片电阻 0603 100R J 1/10W 自举限流电阻， 有时可以去掉
C1 贴片电容 0603 100N K X7R 50VDC 电源退耦电容
U1 贴片驱动IC DRIVER SOIC8N IRS2301STRPBF 也可以选用性价比较高的FD2204D
  • 应用场合说明：

       该电路能应用于所有的DC直流电机驱动电路（负载电压<600V)，正逻辑驱动

  • 注意事项

      使用时，注意静态损耗和开关损耗带来的温升，可根据负载大小，MOS管的Tj，Pj与热阻Rj等参数评估温升；

H桥电路驱动

     H桥驱动电路一般用于有正反转要求和调速要求的电路，在小功率电路中往往采用全集成芯片更具有优势，如L9110;大功率则需要以下驱动电路实现；

  • 原理图：

  • 电路原理分析：

       电机开启过程与应用3推挽驱动类似，转向反转需要靠H桥来完成，Q5,Q6,Q7,Q8组成的H桥电路，当Q5,Q8导通时，电机M4正转，关闭Q8,开启Q6,Q7,电机通过 Q6,Q7续流；与前文类似，实现PWM调速；当Q6,Q7导通时，Q8,Q5截止时，电机反向运转，实现电机反转；

      INA和INB分别控制H桥的左右两部分的开关，为高时开启上桥臂，低时开启下桥臂；

  • 参数选型及分析

        电路与案例3完全对称，仅驱动IC更换为高性价比的型号FD2204D。

  • 应用场合：

   该电路应用于所有DC直流电机驱动电路，多用于电钻，电动螺丝刀等类型产品

  • 注意事项

      使用时，在有运转反向要求的实际产品中，需要注意要换向带来的大电流切换问题，相应的增加MOS管的设计余量。

继电器+MOS管驱动电路

      在空间允许的情况下，此类电路也应用于有正反转要求和调速需求的电路；此电路具备电路简单，成本相对低，温升低的优点，缺点：寿命偏低，抗震差，不适用于有易燃物场合使用。

  • 原理图：

  • 电路原理分析：

       电机驱动及调速方式与电路1类似；电机的单刀双掷开关进行电流方向切换，从而电机实现正反转；

       继电器K1在未吸合条件下，两个触点都接触到上方，电源VCC通过继电器1触点，经过电机M6，通过3触点，再经过导通的Q3实现电机正转；继电器吸合后，继电器K1两个触点都接触到下方，电源VCC通过继电器4触点，经过电机M6，通过2触点，在经过导通的Q3实现电机反转；信号Direction控制电机方向，Speed调整速度。

  • 电路参数选型： 
符号 元件名称 型号 备注
Q3 N沟道MOS管 N-MOSFET TO-220AB IRF1404ZPBF_75A/40V 根据电机功率大小选择，有调速要求情况下需注意开关频率大于载波频率
M1 电机 18V 100W
D2 肖特基二极管 SBD R-6 6A/800V LT6A06 电机续流二极管，反向耐压大于电源+反电势，一般需要3倍电源
R6 贴片电阻 0603 100R J 1/10W 用于防止快速开关时di/dt而产生震荡
D6 贴片肖特基二极管 SBD SOD-123 1A/40V 1N5819HW-7-F 肖特基或快恢复二极管，管压降低最佳
R7,R26 贴片电阻 0603 100K J 1/10W 下拉电阻用于非工作状态或IO高阻态情况下避免导通
TR1 贴片肖特基二极管

NPN SOT-23 0.2A/40V

MMBT3904L
R24 贴片电阻 0603 2K J 1/10W 基极电阻原则为电流大于三极管饱和的基极电流，且在Ib之内
  •  应用场合：

        此电路应用有反向及调速功能要求情形；应用成本相对降低，低温升要求，抗震性能要求不高的场合，且不适合应用于易燃物场合。

  • 注意事项：

        继电器的使用寿命能否满足产品设计寿命；切换方向时，先关断MOS管Q3，然后再换继电器，开启则反之，能够增加电路使用寿命。

转自：
https://blog.csdn.net/m0_46491686/article/details/128092663