H桥电路设计实例、拓扑结构、PCB设计

关于H桥，前面几篇篇文章基本上讲的差不多了，大家如果想看，可以点击下面文章去详细了解。电路一点通汇总了主要是关于H桥设计。

一、H桥基本拓扑结构

下图显示了H的基本拓扑结构：

H桥基本拓扑结构

在一般的设计中，开关通常是某种晶体管（双极型、MOSFET、 IGBT）。开关对角闭合（左上角和右下角或者右下角和左下角）在任一方向将电源连接到负载。

二、H桥需要克服的问题

H桥存在有2个问题：避免击穿和驱动高端晶体管。

击穿是指左侧两个开关或右侧两个开关同时闭合的情况，这肯定会导致短路，这是一个坏事，可能会损坏开关或者其他组件。

下图显示了这里说的情况。

有2种可能发生这种情况的方式，一个是应用了非法控制信号，例如由于软件错误。

另一个是从一种极性切换到另一种极性时，栅极驱动信号中存在短暂且无意的重叠。

左侧的两个开关意外同时导通，导致大的短路电流流过

驱动高侧晶体管是相对比较难的部分，因为高侧晶体管以相对较高的电源电压为参考而不是以地为参考，控制信号（通常来自微控制器或类似设备）以地为参考，因此需要某种电平转换电路。

三、设计H桥电路

主要是为了驱动5相双极步进电机，Iw = 0.21 A，Rw = 32 ohms，因此H桥需要能够支持6.7V的驱动电压。

1、设计选择

大约200mA的电流不是特别高，使用双极晶体管（BJT）作为开关。对于更高的电流，必须使用具有较低电流增益的强大功率晶体管，就需要大量的基极电流，这样实际上不好处理，并会导致大量损耗和需要消散的热量。

这里打算在电流和电压处理要求上留出一些余量来构建电桥，使用MOS管来避免BJT的静态基极电流引起的功率耗散问题。

对于给定的导通电阻，就元器件尺寸（成本）和栅极电容而言，NMOS管晶体管的效率大约是PMOS晶体管的3倍，因此对于高功率设计，上下开关都使用NMOS晶体管是有利的。

但是将NMOS管用于上部开关有一个问题：NMOS管需要高于桥电源电压的栅极电压。如果使用PMOS管，低于电源电压的栅极电压是足够的。为了避免额外的电源电压，并且由于电流相当低，因此合适的PMOS管的成本不高。

最后我决定使用PMOS管作为顶部开关，NMOS管作为底部开关。

2、H桥驱动电路信号生成

这里为了避免设计安全，即使微控制器代码中的错误就永远不会导致严重情况发生。因此需要注意以下2件事情：

1、使用一些逻辑门用于控制信号（启动/方向）转换为打开左上/右上或者右上/左下的内部信号，

2、为了避免在方向信号变化期间发生短暂的直通，最好在晶体管的导通信号中引入延迟，而且让关断信号尽快通过，因此引入一个短暂的时期，在极性切换期间没有晶体管导通。

下图显示了一种概念性解决方案，实现了启用/方向控制信号和栅极信号之间的切换，并在晶体管即将导通时引入了延迟。

H桥的栅极驱动信号如何生成的电路图

H桥的栅极驱动信号生成原理

两个ADN 门允许使能信号断开控制信号与MOS管栅极的连接，二极管/电阻组合使电容的充电速度比放电速度慢，因此当晶体管即将导通时，栅极驱动信号到达晶体管所需的时间比晶体管即将截止的时间更长。

通过让来自与门的栅极控制信号对角地控制晶体管，来自与门之一的电平变化打开或者由门控制的两个晶体管。仅使用2个延迟电路就可以控制4个晶体管的时序。

反相器I2和I3需要将与门的逻辑电平转换为适合驱动晶体管的电压。

四、详细设计

1、设计原理图