半桥驱动芯片IR2104S典型电路设计方案

在H桥驱动电路中，一共需要4个MOS管。而这四个MOS管的导通与截止则需要专门的芯片来进行控制，即要介绍的半桥/全桥驱动芯片。     

所谓半桥驱动芯片，便是一块驱动芯片只能用于控制H桥一侧的2个MOS管：1个高端MOS和1个低端MOS。因此采用半桥驱动芯片时，需要两块该芯片才能控制一个完整的H桥。     

相应的，全桥驱动芯片便是可以直接控制4个MOS管的导通与截止，一块该芯片便能完成一个完整H桥的控制。     

这里使用的IR2104便是一款半桥驱动芯片，因此在原理图中可以看到每个H桥需要使用两块此芯片。

1 典型电路设计

2 引脚功能

VCC为芯片的电源输入，手册中给出的工作电压为10~20V。（这便是需要boost升压到12V的原因）

IN和SD作为输入控制，可共同控制电机的转动状态（转向、转速和是否转动）。

VB和VS主要用于形成自举电路。（后续将详细讲解）

HO和LO接到MOS管栅极，分别用于控制高端和低端MOS的导通与截止。

COM脚直接接地即可。

3 自举电路     

此部分是理解该芯片的难点，需要进行重点讲解。从上面的典型电路图和最初的设计原理图中均可发现：该芯片在Vcc和VB脚之间接了一个二极管，在VB和VS之间接了一个电容。这便构成了一个自举电路。   

 作用：在高端和低端MOS管中提到过，由于负载（电机）相对于高端和低端的位置不同，而MOS的开启条件为Vgs>Vth，这便会导致想要高端MOS导通，则其栅极对地所需的电压较大。

    补充说明：因为低端MOS源极接地，想要导通只需要令其栅极电压大于开启电压Vth。而高端MOS源极接到负载，如果高端MOS导通，那么其源极电压将上升到H桥驱动电压，此时如果栅极对地电压不变，那么Vgs可能小于Vth，又关断。因此想要使高端MOS导通，必须想办法使其Vgs始终大于或一段时间内大于Vth（即栅极电压保持大于电源电压+Vth）。   

  首先看下IR2104S的内部原理框图（来源于数据手册）。此类芯片的内部原理基本类似，右侧两个栅极控制脚（HO和LO）均是通过一对PMOS和NMOS进行互补控制。

自举电路工作流程图

   以下电路图均只画出半桥，另外一半工作原理相同因此省略。  

   假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的开启电压Vth=6V（不用LR7843的2.3V，原因后续说明）。    

 第一阶段：     首先给IN和SD对应的控制信号，使HO和LO通过左侧的内部控制电路（使上下两对互补的PMOS和NMOS对应导通），分别输出低电平和高电平。此时，外部H桥的高端MOS截止，低端MOS导通，电机电流顺着②线流通。同时VCC通过自举二极管（①线）对自举电容充电，使电容两端的压差为Vcc=12V。

    第二阶段：     此阶段由芯片内部自动产生，即死区控制阶段（在H桥中介绍过，不能使上下两个MOS同时导通，否则VM直接通到GND，短路烧毁）。HO和LO输出均为低电平，高低端MOS截止，之前加在低端MOS栅极上的电压通过①线放电。

    第三阶段：     通过IN和SD使左侧的内部MOS管如图所示导通。由于电容上的电压不能突变，此时自举电容上的电压（12V）便可以加到高端MOS的栅极和源极上，使得高端MOS也可以在一定时间内保持导通。此时高端MOS的源极对地电压≈VM=7.4V，栅极对地电压≈VM+Vcc=19.4V，电容两端电压=12V，因此高端MOS可以正常导通。     

此时，自举二极管两端的压差=VM，因此在选择二极管时，需要保证二极管的反向耐压值大于VM。

    注意：因为此时电容在持续放电，压差会逐渐减小。最后，电容正极对地电压（即高端MOS栅极对地电压）会降到Vcc，那么高端MOS的栅源电压便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V < Vth=6V，高端MOS仍然会关断。

    补充总结：     因此想要使高端MOS连续导通，必须令自举电容不断充放电，即循环工作在上述的三个阶段（高低端MOS处于轮流导通的状态，控制信号输入PWM即可），才能保证高端MOS导通。自举二极管主要是用来当电容放电时，防止回流到VCC，损坏电路。     

但是，在对上面的驱动板进行实际测试时会发现，不需要令其高低端MOS轮流导通也可以正常工作，这是因为即使自举电容放电结束，即高端MOS的栅源电压下降到4.4V仍然大于LR7843的Vth=2.3V。     那么在上述驱动板中，自举电路就没有作用了吗?当然不是，由于MOS管的特性，自举电路在增加栅源电压的同时，还可令MOS管的导通电阻减小，从而减少发热损耗，因此仍然建议采用轮流导通的方式，用自举电容产生的大压差使MOS管导通工作。

4 控制逻辑     

时序控制图：

 

    简单看来，就是SD控制输出的开关（高电平有效），IN控制栅极输出脚的高低电平（即H桥MOS管的开关）。     在最上面的驱动板中，SD接到VCC，即处于输出常开状态。只需要对IN脚输入对应控制信号即可进行电机的驱动。  

   上面为半桥的驱动方式，驱动一个H桥要同时对两个IR2104进行控制。     以上面设计的电机驱动板为例，驱动真值表：

    改变PWM的占空比，即可改变电机的转速。

编辑：黄飞