本文介绍了一种大功率隔离式全桥(H桥)直流电机驱动器设计，适用于高性能与多场景应用。该驱动器采用四个IRF3205 N沟道MOSFET，其导通电阻RDS(on)低至8mΩ，可实现高效的大电流开关；此外，还使用了两个带有内部死区时间控制的IR2104 MOSFET驱动IC。低成本的CA-IS3720数字隔离器芯片实现了电气隔离，增强了隔离侧的安全性并最大限度地降低了噪声干扰。
PCB布局经过优化，可实现低噪声和大电流处理能力。该驱动器最大电机供电电压为45VDC，控制器侧采用12VDC稳压电源，因此足以驱动供电电压低于12V的电机。对于工作电压为12V或更高的电机，控制侧电源可采用直接从电机电源获取的低电流线性稳压器或降压稳压器。该设计非常适合工业和机器人系统中需要可靠、大电流电机控制的应用。
电路分析
图1显示了电机驱动器的原理图。该电路由3个主要元器件组成：两个IR2104半桥MOSFET驱动器、CA-IS3720数字隔离器和IRF3205 MOSFET。
图1：大功率隔离式全桥直流电机驱动器的原理图。
根据IRF3205 MOSFET的数据手册：“国际整流器公司(IR，现为TI)的先进HEXFET功率MOSFET采用先进的加工技术，实现了极低的单位硅面积导通电阻。这一优势，结合HEXFET功率MOSFET众所周知的快速开关速度和坚固耐用的器件设计，为设计人员提供了一种极其高效可靠的器件，可用于各种应用。”
图2显示，通过在栅极引脚施加至少8－10VDC的电压，IRF3205 MOSFET可达到最大电流处理能力(漏源电流)。在我们的电路中，栅极(栅源)引脚的峰值电压为12V，这足以发挥MOSFET的全部开关潜能。图2还显示了脉冲占空比与MOSFET热响应之间的关系。
图2：IRF3205 MOSFET的VGS与电流处理能力(漏源电流)之间的关系。
MOSFET的热响应是指器件在工作过程中如何处理和散发产生的热量，特别是传导损耗和开关损耗。图3表明，PWM频率的选择必须谨慎，否则，过高的开关速度会降低驱动器效率，不仅没有任何益处，反而会导致发热增加，进而需要更大的散热器。
图3：IRF3205 MOSFET的占空比(脉冲持续时间)与热响应之间的关系。
根据IR2104数据手册：“IR2104(S)是高压、高速功率MOSFET和IGBT驱动器，具有独立的高边和低边参考输出通道。专有的HVIC和抗锁存CMOS技术实现了坚固的单片结构。逻辑输入兼容标准CMOS或LSTTL输出，逻辑电压低至3.3V。输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级，旨在最大限度地减少驱动器交叉导通。浮动通道可用于驱动高边配置的N沟道功率MOSFET或IGBT，工作电压范围为10至600V。”
IN引脚上的下拉电阻(R1和R8)是必需的，因为芯片内部的下拉电阻提供的下拉点“不够强”，无法防止MOSFET意外触发(我在实际应用中遇到过这种情况)。
C1和C10是去耦电容，用于降低电源噪声；D2、D3、D5和D6用于保护MOSFET免受电机瞬态和电压尖峰的影响。虽然每个IRF3205 MOSFET都内置反向二极管，但添加外部肖特基二极管(例如SS36)可以增强内部二极管的电流处理能力并对其进行保护。
REG是SOT-89封装的78L05稳压器，为隔离器芯片的非稳压侧供电。R4和C3构成低通滤波器，以最大限度地降低输入噪声。C6和C8用于稳定稳压器并降低噪声。D4是一个SMD 0805 LED，用于指示电源电平是否正确。
根据CA-IS3720数据手册：“CA-IS372x系列器件是高性能双通道数字隔离器，隔离度高达3.75kVRMS(窄体封装)和5kVRMS(宽体封装)，并具有超高速数据速率。CA-IS372x系列器件在低功耗下提供高电磁抗扰度和低辐射，同时隔离CMOS数字I/O。每个隔离通道都具有逻辑输入和输出缓冲器，两者之间由电容式二氧化硅(SiO2)绝缘层隔开，并且每个通道输入都集成了施密特触发器，以提供出色的抗噪声能力。CA-IS3720具有两个通道，可单向传输数字信号，适用于隔离数字I/O等应用。CA-IS3721/CA-IS3722器件具有两个通道，每个通道单向传输，使其成为隔离收发器(例如RS485、CAN等通信)的Tx和Rx线的理想选择。当输入未通电或处于开路状态时，后缀为L的器件默认输出为低电平，后缀为H的器件默认输出为高电平。”
这款芯片最吸引人的地方在于其价格低廉，并且支持3.3V和5V两种电压电平(VCC电源和PWM逻辑电平均可使用)。其开关速度最高可达150Mbps。图4显示了该芯片的框图。
图4：CA-IS3720芯片的内部框图。
PCB布局
图5显示了驱动PCB的布局。这是一个双层PCB板，所有元器件均为SMD贴片件。顶层清晰地显示了用于承载大电流的厚铜层，但请注意铜层的厚度也很重要。如果要驱动大电流电机，建议订购比FR-4标准厚度0.35mm更厚的PCB。图6显示了PCB板的装配图。
图5：隔离式直流电机驱动器的PCB布局。
图6：PCB板装配图。
装配与测试
图7显示了已装配的PCB板，图8显示了接线图。我使用Arduino Uno开发板生成PWM信号：占空比50%，频率500Hz。Arduino的5V输出引脚为隔离侧的VCC供电(3.3V至5V)。PWM占空比决定了电机的转速。
电路板通过切换PWM1和PWM2输入(图9)来平滑地改变电机的旋转方向。请注意，两个PWM输入不能同时处于激活状态或同时有PWM脉冲。当输入端没有PWM信号(浮空)时，电路板不会像某些类似设计那样出现电机间歇性或随机运转的情况。不要忘记在尽可能靠近电机或电机连接器的位置焊接一个1μF-100V的MKT电容。
图7：直流电机驱动器的装配PCB板。
图8：PCB板接线图。
图9：使用ATM直流电机测试电路板。
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