4.2 電荷泵電路設計

　　電荷泵的基本原理是通過電容對電荷的積累效應而產生高壓，使電流由低電勢流向高電勢。最早的理想電荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，當時這種電路是為可擦寫EPROM提供所需電壓。后來J.Witters，Toru Tranzawa等人對J.Dickson的電荷泵模型進行改進，提出了比較精確的理論模型，并通過實驗加以證實提出了相關理論公式。隨著集成電路的不斷發(fā)展，基于低功耗、低成本的考慮，電荷泵在電路設計中的應用越來越廣泛。

　　簡單電荷泵原理電路圖如圖4所示。電容C1的A端通過二極管D1接Vcc，電容C1的B端接振幅Vin的方波。當B點電位為0時，D1導通，Vcc開始對電容C1充電，直到節(jié)點A的電位達到Vcc；當B點電位上升至高電平Vin時，因為電容兩端電壓不能突變，此時A點電位上升為Vcc+Vin。所以，A點的電壓就是一個方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc(假設二極管為理想二極管)。A點的方波經過簡單的整流濾波，可提供高于Vcc的電壓。

　　在驅動控制電路中，H橋由4個N溝道功率MOSFET組成。若要控制各個MOSFET，各MOSFET的門極電壓必須足夠高于柵極電壓。通常要使MOSFET完全可靠導通，其門極電壓一般在10 V以上，即VCS＞10 V。對于H橋下橋臂，直接施加10 V以上的電壓即可使其導通；而對于上橋臂的2個MOSFET，要使VGS>10 V，就必須滿足VG>Vm+10 V，即驅動電路必須能提供高于電源電壓的電壓，這就要求驅動電路中增設升壓電路，提供高于柵極10 V的電壓。考慮到VGS有上限要求，一般MOSFET導通時VGS為10 V～15 V，也就是控制門極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即為浮動柵驅動。因此在驅動控制電路中設計電荷泵電路，用于提供高于Vm的電壓Vh，驅動功率管的導通。其電路原理圖如圖5所示。

　　電路中A部分是方波發(fā)生電路，由RC與反相施密特觸發(fā)器構成，產生振幅為Vin=5 V的方波。B部分是電荷泵電路，由三階電荷泵構成。當a點為低電平時，二極管D1導通電容C1充電，使b點電壓Vb=Vm-Vtn；當a點為高電平時，由于電容C1電壓不能突變，故b點電壓Vb=Vm+Vin-Vtn，此時二極管D2導通，電容C3充電，使c點電壓Vx=Vm+Vin-2Vtn；當a點再為低電平時，二極管D1、D3導通，分別對電容C1、C2充電，使得d點電壓Vd=Vm+Vin-3Vtn；當a點再為高電平時，由于電容C2電壓不能突變，故d點電壓變?yōu)閂d=Vm+2Vin-3Vtn，此時二極管D2、D4導通，分別對電容C3、c4充電，使e點電壓Ve=Vm+2Vin-4Vtn。這樣如此循環(huán)，便在g點得到比Vm高的電壓Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V。其中Vm為二極管壓降，一般取0.6 V。從而保證H橋的上臂完全導通。

　　4.3 電機驅動邏輯與放大電路設計

　　直流電機驅動電機驅動電路中電機驅動邏輯及放大電路主要實現(xiàn)外部控制信號到驅動H橋控制信號的轉換及放大?？刂菩盘朌ir、PWM、Brake經光電隔離電路后，由門電路進行譯碼，產生4個控制信號M1'、M2'、M3'、M4'，然后經三極管放大，產生控制H橋的4個信號M1、M2、M3、M4。其電路原理圖如圖6所示。其中Vh是Vm經電荷泵提升的電壓，Vm為電機電源電壓。

　　電機工作時，H橋的上臂處于常開或常閉狀態(tài)，由Dir控制，下臂由PWM邏輯電平控制，產生連續(xù)可調的控制電壓。該方案中，上臂MOSFET只有在電機換向時才進行開關切換，而電機的換向頻率極低，低端由邏輯電路直接控制，邏輯電路的信號電平切換較快，可以滿足不同頻率要求。該電路還有一個優(yōu)點，由于上臂開啟較慢，而下臂關斷較快，所以，實際控制時換向不會出現(xiàn)上下臂瞬間同時導通現(xiàn)象，減小了換向時電流沖擊，提高了MOSFET的壽命。

　　5 直流電機PWM調速控制

　　直流電動機轉速n=(U-IR)/Kφ

　　其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動機結構參數(shù)。

　　直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時受到磁飽和限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態(tài)響應較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，其中PWM(脈寬調制)便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。

　　PWM調速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內接通和斷開的時間比(占空比)來改變直流電機電樞上電壓的"占空比"，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。在脈寬調速系統(tǒng)中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速。而且采用PWM技術構成的無級調速系統(tǒng)．啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。

　　設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，且設占空比為D=t／T，則電機的平均速度Vd為：

　　Vd=VmaxD

　　由公式可知，當改變占空比D=t／T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調速的目的。嚴格地講，平均速度與占空比D并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可將其近似地看成線性關系。 在直流電機驅動控制電路中，PWM信號由外部控制電路提供，并經高速光電隔離電路、電機驅動邏輯與放大電路后，驅動H橋下臂MOSFET的開關來改變直流電機電樞上平均電壓，從而控制電機的轉速，實現(xiàn)直流電機PWM調速。

　　6 結束語

　　以N溝道增強型場效應管為核心，基于H橋PWM控制的驅動控制電路，對直流電機的正反轉控制及速度調節(jié)具有良好的工作性能。實驗結果表明，直流電機驅動控制電路運行穩(wěn)定可靠，電機速度調節(jié)響應快。能夠滿足實際工程應用的要求，有很好的應用前景。