半橋驅動芯片IR2104S典型電路設計方案

在H橋驅動電路中，一共需要4個MOS管。而這四個MOS管的導通與截止則需要專門的芯片來進行控制，即要介紹的半橋/全橋驅動芯片。 ????

所謂半橋驅動芯片，便是一塊驅動芯片只能用于控制H橋一側的2個MOS管：1個高端MOS和1個低端MOS。因此采用半橋驅動芯片時，需要兩塊該芯片才能控制一個完整的H橋。 ????

相應的，全橋驅動芯片便是可以直接控制4個MOS管的導通與截止，一塊該芯片便能完成一個完整H橋的控制。 ????

這里使用的IR2104便是一款半橋驅動芯片，因此在原理圖中可以看到每個H橋需要使用兩塊此芯片。

1 典型電路設計

2 引腳功能

VCC為芯片的電源輸入，手冊中給出的工作電壓為10~20V。（這便是需要boost升壓到12V的原因）

IN和SD作為輸入控制，可共同控制電機的轉動狀態（轉向、轉速和是否轉動）。

VB和VS主要用于形成自舉電路。（后續將詳細講解）

HO和LO接到MOS管柵極，分別用于控制高端和低端MOS的導通與截止。

COM腳直接接地即可。

3 自舉電路 ????

此部分是理解該芯片的難點，需要進行重點講解。從上面的典型電路圖和最初的設計原理圖中均可發現：該芯片在Vcc和VB腳之間接了一個二極管，在VB和VS之間接了一個電容。這便構成了一個自舉電路。 ??

?作用：在高端和低端MOS管中提到過，由于負載（電機）相對于高端和低端的位置不同，而MOS的開啟條件為Vgs>Vth，這便會導致想要高端MOS導通，則其柵極對地所需的電壓較大。

????補充說明：因為低端MOS源極接地，想要導通只需要令其柵極電壓大于開啟電壓Vth。而高端MOS源極接到負載，如果高端MOS導通，那么其源極電壓將上升到H橋驅動電壓，此時如果柵極對地電壓不變，那么Vgs可能小于Vth，又關斷。因此想要使高端MOS導通，必須想辦法使其Vgs始終大于或一段時間內大于Vth（即柵極電壓保持大于電源電壓+Vth）。 ??

??首先看下IR2104S的內部原理框圖（來源于數據手冊）。此類芯片的內部原理基本類似，右側兩個柵極控制腳（HO和LO）均是通過一對PMOS和NMOS進行互補控制。

自舉電路工作流程圖

???以下電路圖均只畫出半橋，另外一半工作原理相同因此省略。 ?

???假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的開啟電壓Vth=6V（不用LR7843的2.3V，原因后續說明）。 ???

?第一階段： ????首先給IN和SD對應的控制信號，使HO和LO通過左側的內部控制電路（使上下兩對互補的PMOS和NMOS對應導通），分別輸出低電平和高電平。此時，外部H橋的高端MOS截止，低端MOS導通，電機電流順著②線流通。同時VCC通過自舉二極管（①線）對自舉電容充電，使電容兩端的壓差為Vcc=12V。

????第二階段： ????此階段由芯片內部自動產生，即死區控制階段（在H橋中介紹過，不能使上下兩個MOS同時導通，否則VM直接通到GND，短路燒毀）。HO和LO輸出均為低電平，高低端MOS截止，之前加在低端MOS柵極上的電壓通過①線放電。

????第三階段： ????通過IN和SD使左側的內部MOS管如圖所示導通。由于電容上的電壓不能突變，此時自舉電容上的電壓（12V）便可以加到高端MOS的柵極和源極上，使得高端MOS也可以在一定時間內保持導通。此時高端MOS的源極對地電壓≈VM=7.4V，柵極對地電壓≈VM+Vcc=19.4V，電容兩端電壓=12V，因此高端MOS可以正常導通。 ????

此時，自舉二極管兩端的壓差=VM，因此在選擇二極管時，需要保證二極管的反向耐壓值大于VM。

????注意：因為此時電容在持續放電，壓差會逐漸減小。最后，電容正極對地電壓（即高端MOS柵極對地電壓）會降到Vcc，那么高端MOS的柵源電壓便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V < Vth=6V，高端MOS仍然會關斷。

????補充總結： ????因此想要使高端MOS連續導通，必須令自舉電容不斷充放電，即循環工作在上述的三個階段（高低端MOS處于輪流導通的狀態，控制信號輸入PWM即可），才能保證高端MOS導通。自舉二極管主要是用來當電容放電時，防止回流到VCC，損壞電路。 ????

但是，在對上面的驅動板進行實際測試時會發現，不需要令其高低端MOS輪流導通也可以正常工作，這是因為即使自舉電容放電結束，即高端MOS的柵源電壓下降到4.4V仍然大于LR7843的Vth=2.3V。 ????那么在上述驅動板中，自舉電路就沒有作用了嗎?當然不是，由于MOS管的特性，自舉電路在增加柵源電壓的同時，還可令MOS管的導通電阻減小，從而減少發熱損耗，因此仍然建議采用輪流導通的方式，用自舉電容產生的大壓差使MOS管導通工作。

4 控制邏輯 ????

時序控制圖：