H桥电路

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前言

在做单片机控制小车的时候一定会用一个电机驱动板，这个电机驱动板是怎么做的呢，答案就是H桥，没学过电路的同学可能会问什么是H桥，这篇文章能很好的为你解释什么是H桥。

我们希望STM32可以方便的调整电机速度，但STM32的IO接口电压和电流一般都是非常有限的，电压是3.3V，电流是8mA，所以为方便控制需要在微控制器和电机直接添加个驱动电路板，该电机驱动板有两种输入线：电源输入线和控制信号输入线。电源输入线一般要求是可以提供电机额定电源的大电流电源，一般来说电机所需要的电压和额定电流是多少，那么就要给电机驱动板提供多大的电压和电流，它是给电机提供动力的来源。控制信号线与微控制器的信号线连接，是实现调速的方法，一般是PWM的可调方波信号。电机驱动板还有一个输出线，有两个接口，它与直流电机的引脚直接连接。注意，这里的电机驱动板输出线是应该一系列电路之后才输出的，也就是通过输入信号调制后的输出线。

一、H桥基本结构

H桥电路与复杂很像中国汉字“日”字，如果去掉上下电源与底线，电路结构与英文字母“H”相似。在电路两边上下各自放置了四个由功率晶体管组成的“电子开关”，负载（通常是功率器件：比如电机）横亘在左右电子开关中间。电路网络结构与 惠更斯电桥 相同。左右两个组开关被称为两个**半桥。

功率电子开关（Q1,Q2,Q3,Q4）通常使用双极性功率三极管，或者场效应（FET）晶体管。特殊高压场合使用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）。四个并联的二极管（D1，D2，D3，D4）通常被称为钳位二极管（Catch Diode），通常使用肖特基二极管。很多功率MOS管内部也都集成有内部反向导通二极管。H-桥电路上下分别连接电源正负极。

二、H桥原理

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2所示，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。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，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）。

另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

也有一些组合模式，是不向电机供电。比如当四个晶体开关都断开，此时电机负载相当于两端悬空。如果电机此时在运动，其转子的动能就会在摩擦力的作用下逐步消耗，电机慢慢停止。
H桥电路的上半部（或者下半部）的两个晶体管闭合，对应的另外两个晶体管断开。此时电机两端被桥电路实际上是短接在一起。电机两端电压为0。如果此时电机在运动，那么它转子的动能会通过所产生的反向电动势（EMF）在外部短路桥电路回路中形成制动电流，电机会快速制动。

也有一些组合是需要坚决避免的。比如下图所示的，当H-桥电路一边的上下两个晶体管同时导通（同时断开是允许的），电源就会通过这两个晶体管形成短路回路。所产生巨大的短路电流通常会毫不客气的将这两个晶体管给烧毁。
同边桥臂短路情况有时是控制信号不好（没有给足死区时间），有时是功率器件不够坚强（耐压不够被击穿）。但由于关系到H桥电路的生死，所以需要精细避免。

二、控制模式

为了产生驱动电机不同极性、不同幅值的电压，控制电机PWM波形有两种工作模式：
极性-幅值驱动模式（Sign-Magnitude Drive），也称单极性驱动模式：驱动电机的信号有控制H桥输出极性的方向控制信号和控制PWM占空比幅值的脉冲信号；PWM占空比为0时，输出电压为0。

互锁相位驱动模式（Lock Anti-Phase），也称双极性驱动模式：桥电路两边由极性相反PWM信号驱动。PWM占空比为50%时，输出平均电压为0。

三、MOS管H桥

1、上臂PMOS，下臂NMOS
它由2 个P型场效应管Q1、Q2 与2 个N 型场效应管Q3、Q3 组成，所以它叫P-NMOS 管H 桥。
桥臂上的4 个场效应管相当于四个开关，P 型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭；N 型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零”。
正因为这个特点，在连接好下图电路后，控制臂1 置高电平（U=VCC）、控制臂2 置低电平（U=0）时，Q1、Q4 关闭，Q2、Q3 导通，电机左端低电平，右端高电平，所以电流沿箭头方向流动。设为电机正转。

控制臂1 置低电平、控制臂2 置高电平时，Q2、Q3 关闭，Q1、Q4 导通，电机左端高电平，右端低电平，所以电流沿箭头方向流动。设为电机反转。

当控制臂1、2 均为低电平时，Q1、Q2 导通，Q3、Q4 关闭，电机两端均为高电平，电机不转；
当控制臂1、2 均为高电平时，Q1、Q2 关闭，Q3、Q4 导通，电机两端均为低电平，电机也不转，
所以，此电路有一个优点就是无论控制臂状态如何（绝不允许悬空状态），H 桥都不会出现“共态导通”（短路）。
2、全NMOS
N型是高电平导通，低电平关断，所以理解方式大家对应图来看就可以了