CN103580464B - 自保护h桥驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种自保护H桥驱动电路，包括：H桥驱动单元和H桥驱动控制单元。四个开关元件处于对角线上，左上臂和右下臂的开关元件构成一个左上右下驱动支路，右上臂和左下臂的开关元件构成一个右上左下驱动支路，H桥驱动控制单元控制两个驱动支路交替导通和负载电流方向，在同一驱动支路中，一个开关元件控制负载驱动电流输出，另一个开关元件控制负载驱动电流占空比。当H桥驱动单元中一个驱动支路上有一个或两个开关元件导通时，H桥驱动控制单元阻止另一个驱动支路上的两个开关元件导通，实现自保护功能。H桥驱动单元采用独立的开关元件搭建驱动电路，面对不同负载驱动时，可以根据驱动负载所需电流选用不同驱动能力的开关元件，具有较高的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种H桥驱动电路。
技术背景
H桥驱动电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个开关元件成H的4条垂直腿，而被驱动的负载就是H中的横杠。H桥式驱动电路包括4个开关元件和一个负载。要使负载工作，必须同时导通对角线上的一对开关元件。根据不同开关元件对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过负载，从而控制负载的工作状态。例如，如图3所示，三极管Q1、Q2、Q3、Q4在如图所示H桥驱动电路中作为4个开关元件，H桥驱动电路的负载为电机。当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
驱动负载时，保证H桥上同侧的两个开关元件不会同时导通非常重要。如图3所示，如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就会达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
通常的解决方案主要有采用集成硬件电路的专用驱动芯片或使用分立逻辑器件搭建控制电路来实现，专用驱动芯片如IR2110、L298N、TLE5209等，这些解决方案的不足之处是成本比较高、灵活性较差，驱动大功率负载时，还需要外部大功率开关元件配合，占用PCB面积较多。因此迫切需要设计一种带自保护能力、灵活性高、成本低的H桥控制电路。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供一种带自保护能力、灵活性高、成本低的H桥控制电路。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种自保护H桥驱动电路，包括：由两个驱动输出端子、四个开关元件构成的H桥驱动单元和H桥驱动控制单元，其特征在于，四个开关元件处于对角线上，左上臂和右下臂的开关元件构成一个左上右下驱动支路，右上臂和左下臂的开关元件构成一个右上左下驱动支路，上述两个驱动支路和负载驱动电流方向受H桥驱动控制单元控制，实现交替导通，在同一驱动支路中，一个开关元件控制负载驱动电流输出，另一个开关元件控制负载驱动电流占空比；当H桥驱动单元中一个驱动支路上有一个或两个开关元件导通时，H桥驱动控制单元阻止另一个驱动支路上的两个开关元件导通，实现自保护功能。
H桥驱动单元采用一个反相器通道、两个比较器通道和四个电阻搭建成独立的开关元件驱动电路，当H桥驱动单元中，一个驱动支路上有一个或两个开关元件导通时，H桥驱动控制单元阻止另一个驱动支路上的两个开关元件导通，只有当两个开关元件同时导通时，负载驱动回路电路才构成由“驱动电源+”到“驱动电源-”的通路，实现负载驱动电流脉宽调制（PWM）控制。
由于采用上述方案，本发明具有以下优点：本发明H桥驱动单元采用独立的开关元件搭建驱动电路，面对不同负载驱动时，可以根据驱动负载所需电流来选用不同驱动能力的开关元件，具有较高的灵活性。搭建H桥驱动控制单元只需要一个反相器通道、两个比较器通道和四个电阻。由于H桥驱动控制单元器件数量少、搭建简单，所以只需要较小的PCB面积即可实现，进一步提高了***的可靠性并降低了***的成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本发明的自保护H桥驱动电路原理图。
图2为本发明的H桥驱动控制单元原理图。
图3是现有技术典型H桥驱动电路的原理示意图。
图中：100驱动占空比控制信号输入端，101电压信号，102反相器输入端，103反相器输出端，104比较器A输出端，105比较器B输出端。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的实施例中，所述自保护H桥驱动电路包括H桥驱动控制单元与H桥驱动单元，其中，H桥驱动单元由两个驱动输出端子、四个开关元件构成，四个开关元件处于对角线上，左上臂和右下臂的开关元件构成一个左上右下驱动支路，右上臂和左下臂的开关元件构成一个右上左下驱动支路，上述两个驱动支路受H桥驱动控制单元控制实现交替导通，控制负载驱动电流的方向，同一驱动支路中，一个开关元件控制负载驱动电流输出，另一个开关元件控制负载驱动电流占空比；H桥驱动单元采用一个反相器通道、两个比较器通道和四个电阻搭建独立的开关元件驱动电路，当H桥驱动单元中，一个驱动支路上有一个或两个开关元件导通时，H桥驱动控制单元阻止另一个驱动支路上的两个开关元件导通，只有当两个开关元件同时导通时，负载驱动电路才构成由“驱动电源+”到“驱动电源-”的通路，从而实现负载驱动电流脉宽调制（PWM）控制。
参阅图2。H桥驱动控制单元包括：比较器A和比较器B正向端相连的比较器通道和相连在比较器A和比较器B负向端比较器通道的分压电阻R1、分压电阻R2，以及依次串联在比较器A和比较器B反向端之间，分别通过反相器正向输入端和反向输出端的限流电阻R3和限流电阻R4，限流电阻R3、反相器和限流电阻R4搭建为一个反相器通道。两个限流电阻R3、R4和反相器串联在两个比较器输出端之间。两个比较器通道和四个电阻正向输入端相连，并接入驱动占空比控制信号、负向输入端相连分压电阻，分压电阻R1和分压电阻R2串联，两端分别连接电源VCC和电源地。分压电阻分压得到的电压信号电位在输入信号的高低电平之间。分压电阻R1和分压电阻R2的阻值根据实际电路中选用的比较器型号和其它电路参数来进行选择。限流电阻R3和限流电阻R4阻值根据实际电路中选用的反相器型号、比较器型号和其它电路参数来进行选择。比较器A和比较器B正向输入端相连接，同时连接驱动占空比控制信号输入端100；比较器A和比较器B负向输入端相连接，同时连接分压电阻R1和分压电阻R2的连接点接入由分压电阻R1和分压电阻R2从VCC分压得到的电压信号101，用于识别驱动占空比控制信号的高低电平。比较器A输出端104通过限流电阻R3相连反相器输出端103，连接左下臂开关元件控制信号端，反相器输入端102连接左上臂开关元件控制信号端，当反相器的输入端102为高时，控制左上臂开关元件导通；由于反相器输出信号为低，比较器A输出端104信号下拉到低，左上臂开关元件控制信号与左下臂开关元件控制信号不会同时为高，保证H桥左侧的两个开关元件不会同时导通。比较器B输出端105通过限流电阻R4相连反相器输入端102，连接右下臂开关元件控制信号端。反相器输出端103相连右上臂开关元件控制信号端，当反相器的输出端103为高时，控制右上臂开关元件导通。由于反相器输入信号为低，比较器B输出端105信号下拉到低，右上臂开关元件控制信号与右下臂开关元件控制信号不会同时为高，保证H桥右侧的两个开关元件不会同时导通。反相器的输入端102与左上臂开关元件控制信号端相连接，反相器的输出端103与右上臂开关元件控制信号端相连接。反相器输入输出两端不会同时为高，所以左右上臂开关元件控制信号不会同时为高，保证两条支路的上臂开关元件不会同时导通。两条驱动支路的下臂开关元件控制信号端分别通过一个限流电阻连接在反相器输入和输出两端，以保证两条支路的下臂开关元件不会同时导通。外部驱动方向控制信号由反相器的输入端102输入H桥驱动控制单元，当外部驱动方向控制信号为高电平时，左上臂开关元件控制信号端输入高电平控制左上臂开关元件导通，右上臂开关元件控制信号端输入低电平控制右上臂开关元件关断，左下臂开关元件控制信号端输入被钳位为低电平控制左下臂开关元件关断。外部驱动占空比控制信号由驱动占空比控制信号输入端100输入H桥驱动控制单元。
根据H桥驱动控制单元的控制逻辑：H桥驱动单元同侧的两个开关元件不会同时导通，两条支路的上臂开关元件不会同时导通，两条支路的下臂开关元件不会同时导通。即当H桥驱动单元中一个驱动支路上有一个或两个开关元件导通时，H桥驱动控制单元阻止另一个驱动支路上的两个开关元件导通，从而实现自保护功能。
H桥驱动电路所有工作状态如下表所示。
.。
Claims (2)
1.一种自保护H桥驱动电路，包括：由两个驱动输出端子、四个开关元件构成的H桥驱动单元和H桥驱动控制单元，其特征在于，四个开关元件处于对角线上，左上臂和右下臂的开关元件构成一个左上右下驱动支路，右上臂和左下臂的开关元件构成一个右上左下驱动支路，上述两个驱动支路和负载驱动电流方向受H桥驱动控制单元控制，实现交替导通，在同一驱动支路中，一个开关元件控制负载驱动电流输出，另一个开关元件控制负载驱动电流占空比；当H桥驱动单元中一个驱动支路上有一个或两个开关元件导通时，H桥驱动控制单元阻止另一个驱动支路上的两个开关元件导通，实现自保护功能。
2.如权利要求1所述的自保护H桥驱动电路，其特征在于：H桥驱动单元采用一个反相器通道、两个比较器通道和四个电阻搭建成独立的开关元件驱动电路，当H桥驱动单元中，一个驱动支路上有一个或两个开关元件导通时，H桥驱动控制单元阻止另一个驱动支路上的两个开关元件导通，只有当两个开关元件同时导通时，负载驱动回路电路才构成由“驱动电源+”到“驱动电源-”的通路，实现负载驱动电流脉宽调制（PWM）控制。
3.如权利要求1所述的自保护H桥驱动电路，其特征在于：H桥驱动控制单元包括：比较器A和比较器B正向端相连的比较器通道和相连在比较器A和比较器B负向端比较器通道并联接点连线上的分压电阻R1、分压电阻R2，以及并联在比较器A和比较器B反向端之间的限流电阻R3，并联在反相器正向输入端与与比较器B反向输出端之间的限流电阻R3，限流电阻R4，其中，限流电阻R3通过反相器和限流电阻R4搭建了一个反相器通道。
4.如权利要求3所述的自保护H桥驱动电路，其特征在于：比较器A和比较器B正向输入端相连接，同时连接驱动占空比控制信号输入端（100）；比较器A和比较器B负向输入端相连接，同时连接分压电阻R1和分压电阻R2的连接点接入由分压电阻R1和分压电阻R2从VCC分压得到的电压信号（101），用于识别驱动占空比控制信号的高低电平。
5.如权利要求4所述的自保护H桥驱动电路，其特征在于：比较器A（104）输出端通过限流电阻R3相连反相器输出端（103），连接左下臂开关元件控制信号端，反相器输入端（102）连接左上臂开关元件控制信号端，当反相器的输入端（102）为高时，控制左上臂开关元件导通。
6.如权利要求3所述的自保护H桥驱动电路，其特征在于：比较器B输出端（105）通过限流电阻R4相连反相器输入端（102），连接右下臂开关元件控制信号端。
7.如权利要求6所述的自保护H桥驱动电路，其特征在于：反相器输出端（103）相连右上臂开关元件控制信号端，当反相器的输出端（103）为高时，控制右上臂开关元件导通。
8.如权利要求5所述的自保护H桥驱动电路，其特征在于：反相器的输入端（102）与左上臂开关元件控制信号端相连接，反相器的输出端（103）与右上臂开关元件控制信号端相连接。
9.如权利要求8所述的自保护H桥驱动电路，其特征在于：外部驱动方向控制信号由反相器的输入端（102）输入H桥驱动控制单元，当外部驱动方向控制信号为高电平时，左上臂开关元件控制信号端输入高电平控制左上臂开关元件导通，右上臂开关元件控制信号端输入低电平控制右上臂开关元件关断，左下臂开关元件控制信号端输入被钳位为低电平控制左下臂开关元件关断。
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