h桥功率驱动电路的设计研究

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1、第一章引言分看好，从1992年以来年平均增长率达到20．3％。值得注意的是，汽车工业对SPIC的需求量正迅速增长，过去几年的年平均增长率达到32．5％。电流控制振荡器(C唧nt—con仃olledOscillator)用于信号产生和信号处理系统，同时也广泛用于锁相环电路(PLL)和电荷泵(Cha唱eP啪p)电路。通过内部预置电流对储能元件交替进行充放电，从而实现电流控制振荡器输出周期信号，并通过改变预置电流大小以及储能元件参数，来进行对频率大小和占空比的控制。在常规的电流控制振荡器中，为了控制充放电过程的转换，常都是采用电流比较器来实现此功能，但电流比较器结构比较复杂。本课题所提出的电流控制振

2、荡器，电路结构更加简单，利用系统内部基准源产生的电流信号来对电容进行充放电，经过控制电路作用后，使输出振荡波形更接近理想矩形波形，非常适合于AsIc单元电路的应用。目前，高压H桥驱动电路一般都采用了窄脉冲电平位移技术，并采用自举电容的方式获得高端功率管驱动电压，以克服自身功耗大的缺点。但是，为了保持自举电容两端的电压，必须周期性地对自举电容充电，即H桥功率驱动电路必须不断地工作在开关状态，否则，当一组桥臂长时间地导通时，自举电容会与高侧驱动器之间形成一个泄放回路，最终导致高端驱动电路欠压，而不能驱动末级功率器件，无法满足实际应用时一组桥臂可以长时间导通的要求。本文设计了一种设计简便、容易集成，

3、且可满足高压工作要求的电荷泵高端浮动自举功率管驱动电路，可以工作在极低频，并且自身的开关速度不受影响，可广泛应用于浮动高端供电的高压功率驱动电路。1．3本文的主要工作本课题的目标为完成基于PwM控制，应用于直流电机及步迸马达驱动的H桥功率驱动器的电路设计、版图设计、验证、流片和封装测试。本文的重点是基准源电路、振荡器电路、功率管栅驱动电路设计，其中振荡器电路、高端功率管栅驱动电路是本文在设计上的创新点。本文主要由以下几部分构成：第一章：介绍H桥功率驱动器的国内外发展概况及应用，论述了本文设计的H桥功率驱动集成电路的理论意义和实用价值，并对本文的章节进行安排。第二章：给出H桥功率驱动器的工作原理

4、及总体电路设计，给出了各单元电路的功能以及总体电路性能指标。电子科技大学硕士学位论文第三章：对本课题中的子电路模块进行分析，其中包括基准源电路、振荡器电路、高端功率管栅驱动电路(电荷泵及自举电路)、低端功率管栅驱动电路和死区时间产生电路等，对其工作原理及参数求解都作了较为详细的阐述，并给出了仿真结果。第四章；给出H桥功率驱动器总体电路联合仿真和各项性能指标仿真。第五章：给出电路的版图设计、验证、工艺流程以及流片后测试结果。第六章：总结本文所做的工作。6第二章H桥功率驱动器总体电路设计本章首先从直流电机的工作原理和数学模型入手，确定控制直流电机转速实际上是控制直流电机的电流；并且介绍了电机PWM

5、控制原理；然后给出H桥功率驱动器两种控制模式：si印a1肿a鲥tude(s，M)控制和LockedAn御llase(LAP)控制，以及两种模式的工作原理：之后进行整体设计，依据需要完成的整体功能设定所需的功能模块，以及各个模块之间的功能衔接；最后得到整体功能框图和设计指标，确定设计的可行性。2．1直流电机的工作原理及数学模型直流电动机19】11Dj，多年来～直用作基本的换能器。绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。图2．1为直流电机的物理模型图，其中，固定部分(定子)由磁铁(称为主磁极)和电刷组成：转动部分(转子)由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定

6、子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷Bl和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。图2-1直流电机的物理模型图直流电动机的工作原理[9】【10】如图2—2所示。给两个电刷加上直流电源，如图2—2(a)所示，有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电电子科技大学硕士学位论文磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手

7、定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转予逆时针转动：如果转子转到国2．2【b)所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片l接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使德转子逆时针转动。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，