در این گزارش می‌خواهیم توضیحات مربوط به نحوه طراحی درایور H-Bridge بپردازیم و به تفصیل به توضیح و کارکرد جزء به جزء این مدار خواهیم پرداخت. امیدواریم با تهیه‌ی این گزارش کمکی در راستای ارتقای سطح علمی متخصصین داشته باشیم.

از درایور H–Bridge همان‌طور که از نامش پیداست برای درایو موتور به صورت ساعت‌گرد و پادساعت‌گرد و تنظیم سرعت موتور (PWM) استفاده می‌شود، برای تغییر جهت چرخش از میکروکنترلر استفاده می‌کنیم و برای تنظیم سرعت از واحد PWM میکروکنترلر استفاده می‌شود که در اینجا دو فاکتور مهم وجود دارد:

• فرکانس نامی
• سیکل کاری

فرکانس نامی

منظور از فرکانس نامی سرعت خاموش روشن کردن ماسفت‌ها می‌باشد که اگر این سرعت پایین باشد سرعت موتور در بیشترین حالت خود قرار دارد اما اگر فرکانس را خیلی بالا ببریم در واقعیت به طور مکانیکی سوئیچ‌ها کار نخواهند کرد و یک حداکثر فرکانسی برای این موضوع تعریف شده که حدود ۵۰۰ کیلوهرتز می‌باشد و فرکانس پیشنهادی برای PWM حدود ۳۱٫۲۵ کیلوهرتز می‌باشد.

Duty Cycle

مدت زمانی که ولتاژ سطح یک به موتور می‌رسد، با تغییر این مقدار می‌توان سرعت موتور را کنترل کرد، در شکل زیر مثالی از پالس‌های PWM را می‌بینیم:

مثالی از پالس‌های PWM

توضیحات اولیه در طراحی درایور H-Bridge (پل اچ)

علت اینکه به این مدار، درایور H–Bridge می‌گویند به دلیل شکل آنست که در شکل می‌بینیم:

شکل مدار، علت نامگذاری درایور H–Bridge است.

به طور کلی H– Bridge دارای مدار نسبتا ساده‌ای است، شاکله‌ی اصلی مدار دارای موارد زیر است:

• چهار عنصر سوئیچینگ
• بار (Load) در مرکز آن
• چهار دیود

در زیر نمونه‌ی ساده‌ای از این مدار را مشاهده می‌کنیم:

نمای ساده‌ای از درایور H–Bridge

برای طراحی مدار درایور H–Bridge می‌توان از رله، سوئیچ، ترانزیستور یا ماسفت قدرت به عنوان عنصر سوئیچینگ استفاده کرد، به دلیل مزیت‌های ماسفت نسبت به دیگر عناصر سوئیچینگ، ما از ماسفت به عنوان عنصر اصلی سوئیچینگ استفاده کرده‌ایم.

از مزیت‌های درایور H-Bridge می‌توان از قدرت جریان‌کشی بالا، فراهم کردن ولتاژ کاری مناسب، کار در دماهای بالا و … اشاره کرد. ماسفت‌ها دارای دو ناحیه‌ی کاری قطع و اشباع هستند، برای بردن ماسفت (نوع N) به ناحیه‌ی قطع، پایه‌ی گیت ماسفت را به زمین متصل می‌کنیم و برای بردن به ناحیه‌ی اشباع باید ولتاژ گیت سورس بیشتر از ولتاژ آستانه‌ی آن باشد (Vgs > Vth).

به ماسفت‌های بالا High Side و به ماسفت‌های پایین Low Side می‌گویند، قسمت بالا وظیفه‌ی رساندن ولتاژ اصلی به موتور و کنترل آن و قسمت پایین وظیفه‌ی اتصال موتور به زمین و کنترل این اتصال را بر عهده دارد، مانند شکل زیر:

اجزای درایور H–Bridge و ارتباط قسمت‌های مختلف با هم

ویژگی‌های ضروری H–Bridge

• غیرفعال شدن هنگام عبور از یک دمای بالای مشخص را داشته باشد (Over Temperature Protection)؛
• حفاظت در برابر اتصال کوتاه (Shoot-Through Protection)

حفاظت از اتصال کوتاه در درایور H–Bridge

• غیرفعال شدن هنگام عبور جریان بسیار بالا (Over Current Protection)؛
• سرعت بالا در سوئیچینگ موتور؛
• دارا بودن Gate Driver:
  • یکی از نقش‌های مهم این قسمت اینست که قدرت کافی برای روشن کردن ماسفت‌های High Side را داشته باشد، این موضوع فقط برای وقتی است که ماسفت‌های قسمت High Side ما نوع N هستند، برای طراحی Gate Driver یکی از مدارهای Charge Pump و یا Boot Strap استفاده می‌کنیم.
• ولتاژ عملیاتی؛
• آمپراژ (بیشترین جریان مصرفی)؛
• فرکانس سوئیچینگ (PWM) بالا؛
• نوع درایو؛
• کنترل زمان خاموش روشن شدن ماسفت‌ها.

عملکرد مدار

اگر ماسفت‌های Q2 و Q3 فعال باشند قسمت چپ موتور به زمین متصل شده و قسمت راست موتور به منبع تغذیه متصل می‌شود و موتور به چرخش در می‌آید (شکل سمت چپ)، اگر ماسفت‌های Q1 و Q4 فعال باشند، حالت معکوس حالت قبل پیش می‌آید و در جهت معکوس می‌چرخد (شکل سمت راست). اگر سرعت یا گشتاور کمتر مد نظر باشد باید از PWM برای کنترل ماسفت‌ها استفاده کرد و ولتاژ میانگینی که به موتور را می‌رسد را می‌توان با نسبت زمان On و زمان Off در PWM اندازه‌گیری کرد.

ماسفت

• ملاک‌های انتخاب ماسفت
  • جریان کاری
    • یعنی بیشترین جریانی که ماسفت می‌تواند از خود عبور دهد.
  • ولتاژ کاری
  • دارا بودن فرکانس سوئیچینگ بالا برای وقتی که موتور با سرعت زیاد سوئچینگ می‌کند.
    • تغییرات سریع در قطعات باعث تغییرات سریع و ناگهانی ولتاژ و جریان می‌شوند، این تغییرات باعث ایجاد EMI می‌شود که همان نویزهای الکترومغناطیسی هستند.
  • داشتن مقاومت پایین درین سورس RDS
    • ماسفت در وضعیت روشن دارای رفتاری شبیه به مقاومت است (مقاومت کانال RDS)، در ماسفت ایده‌آل و خوب هر چه مقاومت کانال کمتر باشد ماسفت بهتر خواهد بود. هرچه بتوانیم دمای کاری را پایین‌تر بیاوریم جریان‌کشی بهتر خواهد بود .رابطه‌ی زیر همواره برقرار است: مقاومت کانال کمتر ← ماسفت از نظر فیزیکی بزرگتر ← Gate بزرگتر. اگر این مقاومت بالا باشد در جریان‌های بالا انرژی زیادی را در خود جذب و به صورت گرما اتلاف می‌کند، و دمای کاری سیستم را بالا می‌برد.
  • دمای کاری مقاومت کانال ماسفت باید بازه‌ی کاری بالایی داشته باشد (Full Temperature) .
    • در ماسفت برای مقاومت کانال یک محدوده‌ی دمایی در نظر گرفته شده است که هر چه بیشتر باشد بهتر است و کمتر باعث اتلاف انرژی خواهد شد. استفاده از هیت‌سینک به بهتر شدن عملکرد دمایی کمک خواهد کرد.
  • خازن گیت در ماسفت باید کم باشد.
    • در هنگام تغییر حالت ماسفت از On به Off و از Off به On تاخیرهایی داریم که این تاخیر هر چه کمتر باشد بهتر است و خازن گیت بر روی این زمان اثر دارد که باید این خازن کم باشد تا تاخیر هم کمتر شود.
• انتخاب ماسفت High – Side ، ماسفت N در مقابل ماسفت P
  • ماسفت N
    • دارای اتلاف گرمای کمتری است.
      • به دلیل داشتن مقاومت کانال کمتر
    • نیاز داشتن به مدار Boot Strap.
      • در مدار H – Bridge پایه‌ی S ماسفت N به موتور متصل می‌باشد، در هنگام روشن شدن ماسفت ولتاژ پایه‌ی S برابر با ولتاژ موتور می‌شود به همین خاطر Vgs باید بیشتر از ولتاژ موتور باشد که برای رفع این مشکل از مدار Boot Strap استفاده می‌کنیم.
  • ماسفت P
    • اتلاف گرمای کمتر
    • مقاومت کانال بیشتر

در کارکردهای فرکانس بالا ماسفت P بهتر است، در کارکردهای فرکانس پایین، جریان‌کشی بالا، ماسفت N بهتر است. به طور کلی درایو  High – Side به خوبی درایو Low – Side نیست، به دلیل اینکه جریان کمتری عبور می‌دهند و زمان شارژ و دشارژ شدن خازن گیت ماسفت طولانی انجام می‌شود، که همین باعث زمان Ton و Toff بیشتری می‌شود. در Low Side به دلیل داشتن مقاومت کانال کمتر از ماسفت نوع N استفاده می‌کنیم.

یکی از خاصیت‌های مهم سلف اینست که نمی‌توان بلافاصله جریان را در آن تغییر داد، به همین دلیل بعد از خاموش شدن H – Bridge مدتی طول می‌کشد جریان به صفر برسد. بنابراین در تمام حالات روشن یا خاموش بودن ماسفت‌ها، حداقل باید یکی از آنها روشن باشد تا جریان باقی‌مانده تخلیه شود.

دیودها (Catch Diode)

• نقش دیودها در مدار
  • • زمانی که یک مسیر جریان در H – Bridge فعال باشد ( دو تا از چهار تا ماسفت روشن باشد )، دیودها هیچ نقشی ندارند، موتور در حالت روشن بودن یک میدان الکترومغناطیسی القائی ایجاد می‌کند، وقتی ماسفت‌ها خاموش می‌شوند، این میدان باید تخلیه شود، جریان باقیمانده‌ی درون سیم‌پیچ موتور هم باید تخلیه شود و به دلیل اینکه ماسفت‌ها خاموش هستند مسیری برای تخلیه نیست !، اما یک مسیر کم‌مقاومت برای تخلیه‌ی جریان Catch Diodes ها می‌باشند، وقتی دیود‌ها جریان را عبور می‌دهند یک افت ولتاژ به اندازه‌ی Vf رخ می‌دهد. این افت ولتاژ همراه با جریان عبوری گرما تولید می‌کنند.
    • نکات تکمیلی:
      • ماسفت‌ها معمولا دارای دیود داخلی هستند ولی بهتر است خودمان هم از دیود در مدار استفاده کنیم. دیودی که برای H – Bridge انتخاب می‌شود باید Vf کمتری از دیود بدنه‌ی ماسفت داشته باشد.
      • دیودها یک زمان تاخیر در روشن شدن دارند ، در نتیجه یک زمان کوتاهی است که جریان راهی برای خروج ندارد (چون هم ماسفت‌ها خاموش می‌باشند هم دیودها)، این موضوع وقتی بدتر می‌شود که بیشترین جریان‌کشی را داشته باشیم و ولتاژ کاری هم بالا باشد، برای رفع این مشکل بعضی از موتورها دارای یک خازن داخلی هستند ولی باید یک خازن دو سر موتور بگذاریم تا جریان از این مسیر حرکت کند تا دیودها روشن شوند.

• • • • توصیه می‌شود که دیودها از نوع دیودهایی باشند که زمان تاخیرشان بسیار کم باشد، دیودهای Fast و یا Ultra Fast که دیودهای شاتکی از همین نوع می‌باشند.

موتور

یک موتور را می‌توان به شکل زیر متناظر کرد:

سلف نمایانگر سیم‌پیچ موتور می‌باشد، مقاومت موجود کل انرژی اتلافی موتور می‌باشد، ولتاژ راه‌انداز موتور هم Vg می‌باشد، و جریان عبوری از موتور هم با گشتاور موتور نسبت دارد.

موتورها دارای دو حد می‌باشند:

• یکی از آنها وقتی است که باری برای موتور وجود ندارد، در این حالت جریان مصرفی تقریبا برابر با صفر خواهد بود و ولتاژ دو سر موتور Vg می‌باشد.
• یکی از دیگر از حدها وقتی است که موتور در حالت Stall باشد، در این حالت چرخشی نخواهیم داشت و Vg صفر خواهد بود، موتور مانند یک سلف عمل خواهد کرد، جریان عبوری از موتور گشتاور تولید می‌کند اما Vg صفر می‌باشد.

جریان پیوسته و غیر پیوسته

• وقتی جریان عبوری از موتور چه در زمان روشن چه در زمان خاموش، به صفر برسد اصطلاح جریان غیرپیوسته را استفاده می‌کنیم (ولتاژ دو سر موتور Vg می‌شود)، در غیر این صورت، مدار در حالت جریان پیوسته می‌باشد.

مسیرهای جریانی مهم

نمودار جریان عبوری از موتور به صورت زیر است:

نمودار جریان عبوری از موتور

همانطور که مشاهده می‌شود در لحظه‌ی خاموش شدن، مدت زمانی طول می‌کشد که جریان به صفر برسد، دو مسیر روشن و خاموش شدن را بررسی می‌کنیم:

• اگر Q1 و Q4 روشن بوده‌اند و سپس مسیر خاموش شده باشد، مسیر زیر را داریم:

• مسیر جریان در زمان روشن بودن:

• مسیر جریان در زمان خاموش شدن:

حال اگر Q2 و Q3 روشن شوند و سپس خاموش شوند:

• مسیر جریان در زمان روشن شدن:

• مسیر جریان در زمان خاموش شدن:

در حالت‌های خاموش‌شدن مشاهده می‌کنیم که موتور در حالت اتصال کوتاه قرار دارد، در نمودار جریان عبوری از موتور، بعد از لحظه‌ی خاموش‌بودن بلافاصله موتور روشن می‌شود و موتور از حالت اتصال کوتاه به ولتاژ اصلی متصل می‌شود، در همین حال جریانی که در حال تخلیه‌شدن هست باید بلافاصله تغییر مسیر داده و به ولتاژ اصلی برسد که اگر این کار نشود، ولتاژ اصلی بالا می‌رود و این خطرناک است، برای رفع این مشکل از یک خازن استفاده می‌کنیم:

استفاده از یک خارن در مدار

در شکل زیر فرض شده موتور در حالت ساعت‌گرد می‌چرخد، به عبارت دیگر دارای Vg مثبت، و از افت ولتاژ مقاومت درونی موتور صرف نظر شده است.

در حالت روشن ولتاژ دو سر موتور Vbat – Vg می‌باشد، این ولتاژ به خاطر خاصیت سلفی موتور به طور خطی جریان را افزایش می دهد، (V = L i′) ، در این حالت مسیر جریان خط قرمز رنگ می‌باشد، سرعت افزایش جریان متناسب است با ولتاژ دو سر موتور، اگر موتور با سرعت بالا بچرخد اختلاف ولتاژ بسیار کم می‌شود (بین Vbat و Vg)، و جریان با سرعت کمی افزایش می‌یابد، اگر موتور Stall بدهد یا با سرعت کم بچرخد، ولتاژ Vg تقریبا صفر خواهد بود، و جریان با سرعت افزایش می‌یابد، اگر موتور تغییر جهت بدهد سرعت افزایش جریان بسیار زیاد می‌شود، بیشترین افزایش جریان وقتی است که موتور در بیشترین سرعت باشد و بخواهد تغییر جهت دهد و به بیشترین سرعت در آن جهت برسد.

• در زمان خاموش بودن موتور ولتاژ دوسر موتور منفی Vbat+Vg می‌باشد، این ولتاژ شروع به تخلیه‌ی میدان مغناطیسی موتور می‌کند، که مسیر جریان به شکل خط آبی رنگ در می‌آید.

Low Side

دو ماسفت قسمت پایینی H–Bridge را Low Side می‌گوییم، برای خاموش‌کردن این دو به ولتاژ صفر ولت و برای روشن‌کردن به ولتاژی بین ۲٫۵ تا ۱۵ نیاز است، نکته‌ی مهم اینست که چه مداری برای گیت این ماسفت‌ها استفاده شود.

یکی از ساده‌ترین راهکارها اینست که هیچ مداری گذاشته نشود و مستقیم به میکرو یا منبع تغذیه‌ای وصل شود، که برای کاربردهای سطح پایین همین کار مناسب است، ولی وقتی ولتاژ روشن‌شدن ماسفت بالاست و یا جریان‌کشی زیادی داریم، دیگر مستقیم وصل‌کردن راهکار خوبی نیست، در ابتدا به این مدار نیازمندیم:

در این مدار گیت ماسفت با میکرو قطع و وصل می‌شود، و پایه‌ی درین ماسفت به ولتاژ درایو Pull Up شده است، وقتی ماسفت خاموش است ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ درایو می‌شود، و وقتی ماسفت روشن می‌شود، ولتاژ خروجی صفر می‌شود، یکی از مشکلات این مدار کمتر شدن زمان روشن‌بودن از خاموش‌بودن است که به دلیل برابر نبودن مقاومت Pull Up و مقاومت کانال می‌باشد، برای رفع این مشکل مدار را به صورت زیر تکمیل می کنیم:

High Side

فرض بر اینست که از ماسفت N در High Side استفاده شده است، همان‌طور که گفته شد وقتی از ماسفت N استفاده می‌کنیم، باید از مدار Boot Strap استفاده کنیم، زیرا در هنگام وصل‌شدن پایه‌ی درین و سورس ماسفت ولتاژ این دو پایه برابر با ولتاژ موتور می‌شود و برای روشن‌کردن ماسفت به ولتاژی بیشتر از ولتاژ موتور نیاز است، در زیر مدار Boot Strap را مشاهده می‌کنیم:

نمای شماتیک مدار Boot Strap

وقتی Q2 روشن و Q1 خاموش باشد Vboot به Vcc می‌رسد و مسیر قرمز رنگ ایجاد شده و Vout صفر می‌شود، اگر Q2 خاموش شود D2 روشن شده و مسیر سبز رنگ فعال می‌شود.

اگر Q2 خاموش شود D2 روشن شده و مسیر سبز رنگ فعال می‌شود

اگر ما بخواهیم Q1 را روشن کنیم، گیت Q4 Vbat می‌باشد و چون Vout صفر می‌باشد روشن می‌شود، اگر بعد از خاموش‌کردن Q2 ، D1 جریان از خود عبور بدهد، ولتاژ خروجی به Vbat می‌رسد، به دلیل اینکه ولتاژ دو سر خازن نمی‌تواند به سرعت تغییر کند، Vboot به Vbat+Vcc می‌رسد و دیود Dboot جریان عبور نمی‌دهد.

.

مدار نهایی Boot Strap:

تشخیص جریان عبوری H– Bridge

از دو مقاومت در دوسر مدار استفاده می‌کنیم، این مقاومت‌ها باید دارای توان بالا و مقدار پایین باشند:

استفاده از دو مقاومت در دوسر مدار

نکات و تعاریف کاربردی

• Stall در موتور: اگر موتور در حالت Stall باشد چرخشی نخواهیم داشت، ولتاژ دوسر صفر خواهد بود و موتور به عنوان یک سلف عمل خواهد کرد، به طور کلی Stall وقتی روی می‌دهد که موتور حرکت نکند ولی گشتاور داشته باشیم.
• EMF: وقتی موتور شتابش کاهش/افزایش می‌یابد و یا اینکه ناگهان می‌ایستد باعث نویز با دامنه‌ی زیاد و تغییرات شدید می‌شود (Voltage Spike) که این موضوع حداقل مشکلش ریست شدن میکرو می‌باشد که به این فرایند EMF می‌گویند، برای رفع این مشکل باید از یک خازن بزرگ در محل ولتاژ اصلی موتور استفاده کرد.
• Spike Voltage: ولتاژی با دامنه‌ی زیاد و تغییرات شدید
• Forward Voltage: این ولتاژ، ولتاژی است که دیود روشن می‌شود که بین 500mv تا 1000mv می‌باشد.
• Dead Time: در ماسفت‌ها مدت زمانی که طول می‌کشد ماسفت روشن شود.
• فرکانس معمول برای طراحی ۲۰ تا ۴۰ کیلوهرتز می‌باشد خازن گیت ماسفت سرعت خاموش روشن ماسفت را مشخص می‌کند.

پایان