直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路PCB設(shè)計(jì)目標(biāo)

在設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，主要考慮以下幾點(diǎn)：

1、功能：電機(jī)是單向旋轉(zhuǎn)還是兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)？ 需要調(diào)速？ 對于單向電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只需使用大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)即可。 當(dāng)電機(jī)需要雙向旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用四塊功率PCB元件組成的H橋電路或采用雙刀雙擲繼電器。 如果不需要調(diào)速，用繼電器即可； 但如果需要調(diào)速，可以采用三極管、場效應(yīng)管等開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。

2、性能：對于采用PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)。

1.輸出電流和電壓范圍，決定了電路能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率有多大。

2.效率，高效率不僅意味著省電，而且減少了驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。 要提高電路的效率，我們可以從保證功率器件的開關(guān)狀態(tài)入手，防止共態(tài)導(dǎo)通（H橋或推挽電路中可能出現(xiàn)的一個(gè)問題是兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通短路 電路的電源） 。

3.對控制輸入的影響。 電源電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離，防止高電壓、大電流進(jìn)入主控電路，可采用高輸入阻抗或光耦進(jìn)行隔離

4.對電源的影響。 共態(tài)導(dǎo)通會(huì)造成電源電壓瞬時(shí)下降，造成高頻電源污染； 大電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)。

5.可靠性。 無論增加何種控制信號和無源負(fù)載，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路都應(yīng)盡可能安全。

1、輸入與電平轉(zhuǎn)換：

輸入信號線由DATA引出，1腳為地線，其余為信號線。 請注意，引腳 1 通過 2K 歐姆電阻接地。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)板和單片機(jī)分別供電時(shí)，該電阻可以為信號電流返回提供通路。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)共用一組電源時(shí)，這個(gè)電阻可以防止大電流順著線路流向單片機(jī)主板的地線造成干擾。 也就是說，相當(dāng)于將驅(qū)動(dòng)板的地線與單片機(jī)的地線分開，實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。

高速運(yùn)放KF347（也可用TL084）為比較器，將輸入的邏輯信號與來自指示燈和二極管的2.7V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換成接近電源的方波信號 電源電壓幅值。 KF347的輸入電壓范圍不能接近負(fù)電源電壓，否則會(huì)出錯(cuò)。 因此在運(yùn)算放大器的輸入端加了一個(gè)二極管，防止電壓范圍溢出。 輸入端的兩個(gè)電阻，其中一個(gè)用于限流，另一個(gè)用于在輸入懸空時(shí)將輸入端拉至低電平。

不能用LM339或其他任何開路輸出比較器代替運(yùn)放，因?yàn)殚_路輸出高電平狀態(tài)的輸出阻抗大于1千歐，壓降大，后級 三極管不能截止。

2、電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)部分：

后級三極管、電阻和穩(wěn)壓管組成的電路將信號進(jìn)一步放大，驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管的柵極，并利用場效應(yīng)管本身的柵極電容（約1000pF）進(jìn)行延時(shí)，防止同時(shí)導(dǎo)通（“共態(tài)導(dǎo)通”） ") 的 H 橋上臂和下臂上的 FET 引起電源短路。

當(dāng)運(yùn)放輸出端為低電平（1V~2V左右，不能完全歸零）時(shí)，后面的三極管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)通。 上三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止，輸出高電平。 當(dāng)運(yùn)放輸出端為高電平（約VCC-（1V到2V），不能完全達(dá)到VCC）時(shí)，后面的三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止。 上三極管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出低電平。

以上分析是靜態(tài)的，下面討論開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程：三極管的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于2千歐，所以當(dāng)三極管從關(guān)斷切換到導(dǎo)通時(shí)，場效應(yīng)管柵極電容上的電荷可以 快速釋放，F(xiàn)ET 可以快速關(guān)斷。 但是，當(dāng)三極管從導(dǎo)通切換到截止時(shí)，MOSFET柵極需要一定的時(shí)間才能通過一個(gè)2kΩ的電阻進(jìn)行充電。 因此，場效應(yīng)管從導(dǎo)通到關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度比從關(guān)斷到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換速度快。 如果兩個(gè)三極管同時(shí)發(fā)生開關(guān)動(dòng)作，該電路可以使場效應(yīng)管的上下臂先截止再導(dǎo)通，消除了共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象。

事實(shí)上，運(yùn)算放大器的輸出電壓發(fā)生變化需要一定的時(shí)間。 在此期間，運(yùn)算放大器的輸出電壓處于正負(fù)電源電壓的中間。 此時(shí)兩個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通，場效應(yīng)管同時(shí)截止。 所以實(shí)際電路比這種理想情況更安全。

FET柵極的12V齊納二極管用于防止FET柵極過壓擊穿。 普通場效應(yīng)管柵極耐壓為18V或20V，直接加24V電壓會(huì)擊穿。 所以穩(wěn)壓二極管不能用普通二極管代替，可以用2kΩ的電阻代替，同樣可以獲得12V的分壓。

3、場效應(yīng)管輸出部分：

大功率場效應(yīng)管內(nèi)部的源極和漏極之間有反向并聯(lián)的二極管。 當(dāng)連接到H橋時(shí)，相當(dāng)于輸出端并聯(lián)了四個(gè)用于消除電壓尖峰的二極管，所以沒有外接二極管。 在輸出端并聯(lián)一個(gè)小電容（在out1和out2之間）對降低電機(jī)產(chǎn)生的峰值電壓有一定的好處，但使用PWM時(shí)有產(chǎn)生峰值電流的副作用，所以容量不宜太大 大的。 使用小功率電機(jī)時(shí)可以省略此電容。 如果加這個(gè)電容，必須使用耐壓高的電容。 普通陶瓷貼片電容可能會(huì)出現(xiàn)擊穿和短路故障。

輸出端由電阻、LED、電容并聯(lián)組成的電路指示電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向

4、性能指標(biāo)：

電源電壓15~30V，最大持續(xù)輸出電流5A/每臺(tái)電機(jī)，短時(shí)間（10秒）可達(dá)10A，PWM頻率最大可達(dá)30KHz（一般為1~10KHz）。 電路板包含四個(gè)邏輯上獨(dú)立的功放單元，其輸出端成對連接組成H橋，可由單片機(jī)直接控制。 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向旋轉(zhuǎn)和調(diào)速。

5、PCB設(shè)計(jì)外包代理涂裝PCB布局布線：

大電流線路盡量短粗，盡量避免通過過孔。 如果一定要穿過過孔，把過孔做大一點(diǎn)（>1mm），在焊盤上做一圈小過孔，焊接時(shí)用焊錫填滿，否則容易燒掉。 另外，如果使用穩(wěn)壓管，場效應(yīng)管源極到電源和地的導(dǎo)體要盡量短而粗，否則電流大時(shí)，這一段的壓降 正偏壓穩(wěn)壓管和導(dǎo)通三極管可能會(huì)燒壞導(dǎo)體。 設(shè)計(jì)之初，在NMOS管的源極和地之間接了一個(gè)0.15歐姆的電阻來檢測電流，成為了燒板的罪魁禍?zhǔn)住?當(dāng)然，如果穩(wěn)壓管換成電阻就不存在這個(gè)問題了。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的PCB需要采用特殊的散熱技術(shù)來解決功耗問題。 印刷電路板 (PCB) 基板（如 FR-4 環(huán)氧玻璃）導(dǎo)熱性差。 相反，銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性。 因此，從熱管理的角度來看，增加PCB中的銅面積是一種理想的解決方案。 厚銅箔（例如 2 盎司（68 微米厚））比薄銅箔具有更好的導(dǎo)熱性。 然而，使用厚銅箔成本高且難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)幾何形狀。 因此，通常使用 1 盎司（34 微米）的銅箔。 外層通常使用 ? 盎司到 1 盎司的銅箔。 多層線路板內(nèi)層采用實(shí)心銅面，散熱性好。 但是，由于這些銅面通常位于電路板疊層的中央，因此熱量會(huì)在電路板內(nèi)部積聚。 增加PCB外層的鋪銅面積，通過許多通孔將其連接或“縫合”到內(nèi)層，有助于將熱量傳遞到內(nèi)層外部。

由于布線和元器件的存在，雙層PCB的散熱可能會(huì)比較困難。 因此，有必要提供盡可能多的實(shí)心銅表面，并與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 實(shí)現(xiàn)良好的熱連接。 兩個(gè)外層都增加了覆銅區(qū)，并與許多通孔相連，以幫助布線和元器件分隔的區(qū)域之間散熱。

布線寬度：越寬越好

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC的輸入輸出電流較大（部分情況下超過10A），輸入輸出器件的PCB布線寬度應(yīng)慎重考慮。 布線越寬，電阻越低。 必須調(diào)整接線的大小，使接線電阻不會(huì)消耗太大的功率，以免加熱接線。 太小的接線其實(shí)可以當(dāng)電熔絲用，很容易燒壞！

設(shè)計(jì)人員通常使用 IPC-2221 來確定合適的布線寬度。 本規(guī)范提供了相應(yīng)的圖表，顯示了各種電流水平下的銅截面積和允許的溫升，在給定銅層厚度的情況下，可以將其轉(zhuǎn)換為線寬。 例如，在一盎司銅層中承載10A電流的導(dǎo)線需要略寬于7mm才能實(shí)現(xiàn)10℃的溫升。 對于1-A電流，布線寬度只需0.3mm。 由此看來，10A的電流似乎不可能通過微型IC板。