Драйверы H-моста: L298, A4988 и дискретный мост

Режимы моста

Кроме двух направлений мост даёт ещё два полезных режима (AN905, таблица 1):

• Выбег — все ключи закрыты, выводы двигателя отключены, он останавливается сам.
• Торможение — открыты оба нижних (или оба верхних) ключа, выводы двигателя замкнуты между собой. Вращающийся двигатель работает как генератор на короткое замыкание и останавливается быстро. Ток торможения ограничен только сопротивлением обмоток и ключей, поэтому он не должен превышать допустимый ток моста.

Сквозной ток и мёртвое время

Если открыть верхний и нижний ключ одного полумоста одновременно, они замкнут питание на землю — сквозной ток выведет мост из строя за мгновения. Отсюда два правила:

• Пока микроконтроллер стартует и его выводы не настроены, все ключи должны быть закрыты. AN905 для этого подтягивает входы драйверов ключей к земле резисторами.
• При переключении полумоста сначала закрывают открытый ключ и выдерживают паузу — мёртвое время — и только потом открывают противоположный. Ключи закрываются не мгновенно, и без паузы оба на короткое время оказываются открытыми.

В готовых драйверах защита встроена: у A4988 мёртвое время при переключении (crossover dead time) составляет 100–800 нс, 475 нс типично.

Диоды и конденсаторы

Двигатель — индуктивная нагрузка. Когда ключи закрываются, ток обмотки продолжает течь и ищет путь; без него выброс напряжения пробьёт ключи. Поэтому параллельно каждому ключу стоит диод, включённый в обратном направлении: через него ток обмотки возвращается в источник питания. У MOSFET есть встроенный диод между стоком и истоком, и отдельные диоды не нужны, если встроенный выдерживает ток двигателя (AN905, AN907).

AN905 предлагает ещё и конденсаторы около 10 пФ на выводах ключей — против радиопомех от искрения коллектора; они необязательны.

Мост на MOSFET своими руками

Простейший дискретный мост (AN907, рис. 9) собирают из двух P-канальных MOSFET в верхнем плече и двух N-канальных в нижнем: P-канальный открывается напряжением на затворе ниже напряжения питания, N-канальный — выше земли. Другой вариант из того же AN907 — четыре одинаковых N-канальных транзистора, а затворы верхних открывают через подкачку заряда и сдвиг уровня: так устроены специализированные драйверы полумоста и мосты в микросхемах.

Как выбрать MOSFET и рассчитать его нагрев — в статье «Ключ на MOSFET»; в мосте ток проходит последовательно через два открытых ключа, верхний и нижний.

L298

L298 (STMicroelectronics) — сдвоенный мост на биполярных транзисторах, основа популярных модулей L298N. По даташиту DS0218 Rev 5:

Каждый мост управляется двумя входами (IN1, IN2 для моста A) и входом разрешения EN. При EN = 1 комбинация IN1 = 1, IN2 = 0 крутит двигатель в одну сторону, IN1 = 0, IN2 = 1 — в другую, одинаковые уровни — быстрая остановка; EN = 0 — свободный выбег (таблица 5). Скорость регулируют ШИМ на входах: даташит приводит времена переключения и для входов IN, и для входа разрешения EN.

Что требует даташит в схеме:

• внешние диоды — четыре быстрых диода на каждый мост с временем восстановления не более 200 нс, лучше диоды Шоттки, — при работе на индуктивную нагрузку и при ШИМ на входах;
• конденсаторы 100 нФ без индуктивности между выводами V_S, V_SS и землёй, рядом с микросхемой;
• шунты в выводах SENSE A и SENSE B — если нужен контроль тока; иначе эти выводы соединяют с землёй;
• входы разрешения в низком уровне при включении и выключении питания.

Для токов больше 2 А мосты можно включить параллельно — канал 1 с каналом 4, канал 2 с каналом 3: так L298 даёт до 3 А постоянного тока и 3,5 А в импульсе.

Мосты на MOSFET: A4988

Современные драйверы делают мосты на MOSFET: падение на открытом ключе — это ток, умноженный на сопротивление канала, а не почти постоянные пару вольт, как у биполярного транзистора. Например, в A4988 (Allegro) — два моста для шагового двигателя — сопротивление верхнего и нижнего ключа по 320 мОм типично и 430 мОм максимум, питание моторной части 8–35 В. Внутри уже есть всё, о чём говорилось выше: мёртвое время, защита от сквозного тока и синхронное выпрямление — ток обмотки после выключения идёт через открытые ключи, а не через диоды.

Сколько тепла выделит мост

Ток двигателя проходит через два открытых ключа — верхний одной половины и нижний другой. Для L298 даташит приводит падение сразу на обоих (total drop), для MOSFET-моста складывают сопротивления:

Для A4988 взято сопротивление из даташита при 1,5 А; при нагреве кристалла оно растёт. У L298 при 2 А на мосту теряется до 9,8 Вт, а кристалл в корпусе Multiwatt15 без радиатора нагревается на 35 °C на каждый ватт — без радиатора так работать нельзя. Подобрать радиатор поможет калькулятор радиатора: тепловое сопротивление кристалл — корпус у L298 — 3 °C/Вт. Падение напряжения на мосту ещё и уменьшает напряжение на самом двигателе: от 12 В при токе 1 А на двигатель у L298 приходится около 10 В.