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深入探讨NMOS 管H 桥的设计与制作

浏览171次时间：2015年1月23日 15:58

向旭东湖南永顺县职教中心 416700

【文章摘要】

本文在最简单的NMOS 管H 桥的基础上，做出了改进。设计并制作出一款功能更完善、效率更高的NMOS 管H 桥。文中采用了软件仿真设计，并结合了实物实验测试。这款NMOS 管H 桥带有电荷泵，使电路效率更高，能提高电源利用率，提高小车速度。

【关键词】

NMOS 管；H 桥；电荷泵；PROTEUS 仿真

前段时间，在维修一款电动小车时，利用PROTEUS 软件仿真设计了一款最简单的NMOS 管H 桥，结果让小车起死回生，于是对NMOS 管制作H 桥产生了研究兴趣，发现最简单的NMOS 管H 桥有两点不足: 其一是驱动信号不能同时为高电平，否则会引起电源短路，H 桥烧毁。其二是H 桥的上桥臂NMOS 管在工作时管压降较大，使得电机电压较小，速度偏小，电路效率降低（见图1），所以此电路基本上只能用于玩具，不能用于竞速小车。

1 问题发现：最简单的NMOS 管H 桥效率较低

图1 中Q1 与Q3 导通，Q3 的管压降达2.82V, 远高于Q1 的0.15V，使得电机仅仅得到2.01V 的压降，从而使得Q3 热损耗增加，电机转速偏慢。初步估算这款H 桥驱动电机的效率η=2.01/5*100%=40.2%。究其原因是因为Q3 在栅极高电平的驱动下，开始导通，导通后源极电压抬升，使得栅源极驱动电压不足，从而使管压降较大。

2 解决问题第一步：上管驱动电压提升后的电路效率提升

如何克服这个问题呢，熟悉OTL 功放电路的人，很容易想到给Q3 的栅极来个“自举升压”来解决问题。可是Q3 可能长期工作于一种状态，自举升压不可能，只好借组于外界力量把Q3 栅极电压提升到比电源还高。电感升压、电荷泵都能解决这个问题，这个问题暂且放着后面解决。先看看给NMOS 管H 桥的上管驱动电压泵高后能不能降低上管压降，提高电路效率。于是构思了图2 这样的电路。

图2 中H 桥的主电源B1, 电压为5V，直接为H 桥的四个NMOS 管提供能源，用一个高于主电源电压的电源2（8V）模拟做好的电荷泵，为了问题简单，决定不去为每个H 桥上NMOS 管制造分立的电荷泵，而是只一个电荷泵让它们分配，泵电压分别通过R8、R11 加只NMOS 管Q4、Q3 的栅极，不需NMOS 管导通时，让与R8、R11 连接的三极管Q6、Q8 饱和即可。以分析驱动左侧桥臂的电路为例， Q5、R4、R6 构成一个射极跟随器，能减小对输入驱动信号的电流索取，增加对后极Q1、Q6 的驱动电流。R9、R8、Q6 构成一个反相器，驱动Q4，由于驱动Q1、Q4 的信号反相，它们不会同时导通，所以本电路对于驱动信号要求很低，很安全。图2 中Q5 基极为高电平，发射极也为高

图1 右上臂 NMOS 管导通管压降较大

图3 电荷泵

实验研究

Experimental Research

电子制作

电平，NMOS 管Q1 导通，由于Q6 的反相作用NMOS 管Q4 栅极为低电平，截止。另一路驱动信号为低电平，加至Q7 基极，射极输出后，经R2 加至Q2 栅极，使其截止；经过Q8 反相，集电极为高电平，由于Q8、R11 用了泵电源，Q8 集电极电压约

图4 带电荷泵驱动的NMOS 管H 桥电路

图2 先用较高电源源模拟电荷泵017

实验研究

Experimental Research

电子制作

为8V，使得NMOS 管Q3 栅极得到高于电源的驱动电压而饱和导通，图示为0.58V, 比图1 下降，电机电压为3.97V，比图1 增加近2V, 电路效率增加到80% 左右。进一步仿真表明，该电路可以加入脉冲驱动信号，两个输入端加上反相方波，可让电机处于高速震荡状态。还可以在任意一路加上PWM 脉冲信号驱动电机变速。

3 解决问题第二步：构思电荷泵提升上管驱动电压

接下来的问题是如何构造电荷泵，电荷泵的基本原理是利用电容充、放电来提升电压的。由于要反复充、放电，所以需要一个振荡器，由于要得到平稳直流电呀，所以需要二极管，电容。经过查阅资料和设计构想了图3 这样的电荷泵电路。图中7555 构成一个振荡器（之所以用7555，是因为7555 有更低的工作电压可在 3~18V 工作），R1、R2、C1 构成定时元件，从3 脚Q 输出方波，8 脚VCC 为电源正极，它们和二极管D1、C2 构成电荷泵主要电路，升压原理：当3 脚Q 输出为点电平时，5V 电源从VCC 经过D1 给C2 充电， C2 两端充的电压约为5V, 当3 脚Q 跳变为高电平时，C2 正极电压水涨船高，涨至10V 左右，由于D1 反向截止，电荷只能通过D2 充至C3，由于C3 负载轻，用电慢，所以电压略有下降，图示为8.72V，与电源电压5V 相比，泵高了。电号驱动荷泵仿真成功，见图3。

4 解决问题第三步：电路的整合与PCB 设计

接下来将图3 的电荷泵电路和图2 的H 桥驱动电路整合起来，一款高效率的NMOS 管H 桥电路快要诞生了，先还是仿真下看看吧，效果见图4。

接下来，设计PCB, 将原理图中不需要做PCB 封装的元件，如电机，电池组、指示灯等，在属性对话框中的Exclude from PCB layout 属性打上勾，使它不参与做PCB。相反要在相应位置添加接头、插座等，在它们的Exclude from Simulation 属性上打勾，让它们不参与仿真。再通过右键单击每个元件为每个元件选择合适的PCB 封装，特别要注意的三极管类的封装要注意修改引脚编号和原理图中B、C、E 脚的对应关系。在工具菜单里做一下电气规则检查，导出网络连接表（Net list）, 再进入Net list to ARES 设计出PCB 电路板。

图5 PCB 设计

图6 电路实物测试效果

5 实物测试：带电荷泵的NMOS 管H 桥效率比最简单H 桥效率大幅度提高

最后，为了比较带电荷泵的NMOS 管H（图4）桥与最简单NMOS 管H 桥（图1）的效率，将做成实物在带电荷泵运行时和去掉时各测一组实验数据并做好记录，两组数据均在同等的电源下（电压5.00V），同等的负荷下（转矩1x10-2N*M）测得，见表1:

实验表明：增加电荷泵的NMOS 管H 桥比最简单NMOS 管H 桥驱动电机的效率提高24.6%，电机功率提高49%, 电机转速提高36%。

实物实验与仿真实验对比主要发现有两个差别：其一是仿真试验中对电荷泵的电容容量要求不高几微法就行了，但实际中至少要几十微法，不然电路运行后泵高的电压就被拉到电源电压之下（不增加电容的办法是设置两个独立电荷泵）。其二是实物实验中电机驱动效率提高量小于仿真中的提高量，其原因不是带电荷泵的H 桥电路效率提高得少，而是实物试验中不带电荷泵的NMOS 管H 桥的电路效率要比仿真中的高，一种可能的解释是NMOS 上管栅极和源极之间的结电容处充电后，本身就有像一个微型电荷泵，处于不断充电放电过程，维持NMOS 上管的导通，这有待于进一步证实。

6 结束语

由于制造NMOS 管技术的提高，驱动NMOS 管的栅源电压VGS 现在要求降低， 3V 就可以了，现在带的电荷泵是为了提高NMOS 管H 桥驱动电机的效率、提高电机转速，需要使得H 桥上管栅极电压高于电源电压，这就需要升压电路。为了便于电路的集成，选用电荷泵提高电压是个不错的选择。本文提出的电路经过实际的测试，可以模块化甚至集成化。虽然市面上已经有NMOS 管H 桥集成电路，但有的功率不够大。本文对于探讨NMOS 管H 桥集成电路工作原理、电路的改进与研究做出了一定的分析和探讨。