H-мост — четыре ключа, которые подают на двигатель напряжение любой полярности. Нагрев драйвера ограничивает ток сильнее, чем его «максимальный ток» из заголовка даташита: TI прямо пишет, что допустимый ток зависит от платы, температуры воздуха и частоты ШИМ. Калькулятор считает потери по методике TI SLVA504A и температуру кристалла.
Из чего складываются потери
Проводимость — по RDS(on) ключей, через которые идёт ток. Фронты: каждое переключение длится VM/SR, и в это время на ключе одновременно напряжение и ток; на два фронта за период — формула выше. В мёртвое время ток двигателя идёт через диод ключа с падением VD.
Как потери распределяются по ключам, зависит от того, куда уходит ток в паузе ШИМ — в режим спада тока. При рециркуляции через верхние ключи моста (SLVA504A, разд. 1.1.1): HS1 всегда открыт — RONI2; LS2 открыт на время импульса и переключается — RONI2D + Pфронт; HS2 проводит в паузе — RONI2(1 − D) + Pмёртв; LS1 не работает. При рециркуляции через нижние ключи роли верхних и нижних меняются. Полумост теряет на проводимости примерно вдвое меньше, а на переключении — столько же.
Нагрев и рост RDS(on)
SLVA504A: RON примерно удваивается при 150 °C против 25 °C; линейная зависимость между этими точками — наше упрощение. Проверка по даташиту DRV8871: типичная сумма 0,307 + 0,258 = 0,565 Ом при 25 °C по этой формуле при 58 °C даёт 0,714 Ом, а TI в разд. 10.4 приводит около 0,72 Ом. RθJA из даташита измерен на стандартной плате JEDEC, на реальной плате он может отличаться в разы — подставьте свой.
Пример
DRV8871, 12 В, 1 А, ШИМ 50 % на 20 кГц, фронт 13,5 В/мкс (как в примере SLVA504A — у DRV8871 скорость фронта в даташите не указана), мёртвое время 220 нс, RθJA 41,1 °C/Вт, воздух 25 °C:
| Ключ | Потери | Из них переключение |
|---|---|---|
| HS1 | 0,41 Вт | — |
| HS2 | 0,21 Вт | 7 мВт |
| LS2 | 0,38 Вт | 0,21 Вт |
| Всего | 1,0 Вт | 0,22 Вт |
Кристалл — 66 °C, RDS(on) выросли до 0,41 и 0,34 Ом. При тех же условиях предел 150 °C достигается на 1,5 А. При 2 А установившаяся температура формально есть, но около 540 °C — далеко за порогом тепловой защиты 175 °C: драйвер будет отключаться. При 2,5 А установившейся температуры нет вовсе — это тепловой разгон. Без ШИМ этот же драйвер при 1 А теряет около 0,7 Вт (кристалл 54 °C); биполярный L293 на 1 А — 2,6 Вт, кристалл на 95 °C выше воздуха, и ещё столько же тепла при ШИМ уходит во внешние диоды. Сравнение драйверов разобрано в статье «Драйверы H-моста», режимы управления двигателем — в статье «Управление коллекторным двигателем постоянного тока», ток двигателя под нагрузкой подскажет калькулятор коллекторного двигателя.
Частые вопросы
Как посчитать нагрев драйвера двигателя?
Сложите потери ключей и умножьте на тепловое сопротивление: TJ = TA + P · RθJA. Без ШИМ ток идёт через верхний и нижний ключи, P = I² · (RHS + RLS). DRV8871 при 0,8 А и сумме RDS(on) 0,72 Ом (при 58 °C) рассеивает 0,46 Вт, и при RθJA 48 °C/Вт кристалл нагревается до 80 °C — это пример из даташита TI. С ШИМ добавляются потери на фронтах и в мёртвое время.
Почему с ростом температуры потери растут?
Сопротивление открытого MOSFET растёт с нагревом: по TI SLVA504A оно примерно удваивается при 150 °C против 25 °C. Больше сопротивление — больше потери — сильнее нагрев. Потери проводимости растут с температурой линейно, поэтому установившаяся температура находится точно, без итераций. Если RθJA × скорость роста потерь с температурой не меньше единицы, установившейся температуры нет — это тепловой разгон. Если она есть, но выше порога тепловой защиты (у DRV8871 175 °C типично), драйвер будет отключаться и включаться снова; калькулятор показывает оба случая отдельно.
Сколько теряется на переключении ШИМ?
Каждый фронт длится VM / SR, и в это время на ключе и напряжение, и ток: на два фронта за период уходит VM · IL · (VM / SR) · f. В примере SLVA504A при 13,5 В, 1 А, 13,5 В/мкс и 20 кГц это 0,27 Вт — больше, чем проводимость 0,05 Вт того же ключа. Ещё 2 · VD · IL · tDEAD · f теряется в диодах ключей за мёртвое время.
Сколько греется L293D по сравнению с MOSFET-драйвером?
У биполярного моста падение напряжения почти не зависит от тока. L293D рассчитан на 600 мА длительно, и при 0,6 А его выходы теряют типично 1,4 В на верхнем и 1,2 В на нижнем — 1,56 Вт, в худшем случае 1,8 + 1,8 В — 2,16 Вт. При RθJA 36,4 °C/Вт это 57–79 °C перегрева. MOSFET-драйвер DRV8871 на том же токе без ШИМ теряет около 0,22 Вт. У L293 (без «D») ток до 1 А, но встроенных диодов нет — их ставят снаружи.
Источники
- Texas Instruments. Calculating Power Dissipation for a H-Bridge or Half Bridge Driver (SLVA504A, February 2012, revised July 2021) — разд. 1: потери проводимости RON·IL² (формула 1), фронтов 0,5·VM·IL·(VM/SR)·fPWM (2), мёртвого времени VD·IL·tDEAD·fPWM (3), потребления VM·IVM (5); RON примерно удваивается при 150 °C против 25 °C; табл. 1-1 – 1-4 и приближения для каждого ключа моста и полумоста с рециркуляцией через верхние и нижние ключи; разд. 2: пример 100 мОм, 20 кГц, 13,5 В, 1 А, 50 %, 13,5 В/мкс, 1 В, 100 нс — 0,474 Вт для моста и 0,374 Вт для полумоста
- Texas Instruments. DRV8871 3.6-A Brushed DC Motor Driver With Internal Current Sense (SLVSCY9B, August 2015, revised July 2016) — разд. 6.5: RDS(on) верхнего ключа 307 мОм типично (360 наибольшее), нижнего 258 (320) мОм при 24 В и 1 А, tDEAD 220 нс, диод 0,8–1 В; разд. 6.4: RθJA 41,1 °C/Вт; разд. 6.3: TJ до 150 °C; разд. 6.5 и 10.3: тепловая защита 150 °C наименьшая, 175 °C типично; разд. 8.2.2.2: 2 А действующего тока при 25 °C на типовой плате FR-4, 200 кГц вместо 20 кГц — на 20 % больше потерь; разд. 10.4: при 58 °C сумма RDS(on) 0,72 Ом, 0,8 А → 0,46 Вт, при RθJA 48 °C/Вт кристалл 80 °C
- Texas Instruments. L293x Quadruple Half-H Drivers (SLRS008D, September 1986, revised January 2016) — разд. 6.5: VOH не ниже VCC2 − 1,8 В (типично VCC2 − 1,4 В) и VOL 1,2 В типично, 1,8 В наибольшее — при 1 А у L293 и при 0,6 А у L293D; диоды L293D: VOKH = VCC2 + 1,3 В, VOKL = 1,3 В при 0,6 А; разд. 8.1: у L293 диодов нет, нужны внешние быстрые; разд. 6.1: длительный ток 1 А (L293) и 600 мА (L293D), TJ до 150 °C; разд. 6.4: RθJA 36,4 °C/Вт (PDIP)
- Vishay General Semiconductor. 1N4001 thru 1N4007 General Purpose Plastic Rectifier (Document Number 88503, revision 29-Apr-2020) — наибольшее мгновенное прямое напряжение 1,1 В при 1,0 А — значение по умолчанию для внешних диодов L293
Встроить калькулятор на свой сайт
Скопируйте код и вставьте его в HTML страницы, статьи или вики. Виджет бесплатный, без рекламы, счётчиков и cookie. Условие одно — ссылка на GAW под рамкой остаётся на месте. Подробнее о виджетах
<iframe src="https://gaw.ru/embed/h-bridge-losses/" title="Калькулятор потерь и нагрева H-моста" width="100%" height="640" style="border:1px solid #e3e5e9;border-radius:8px" loading="lazy" allow="clipboard-write"></iframe>
<p style="margin:6px 0 0;font-size:14px">Калькулятор: <a href="https://gaw.ru/tools/h-bridge-losses/">Калькулятор потерь и нагрева H-моста</a> — GAW.ru</p>Автоподстройка высоты рамки
Если сайт разрешает скрипты, добавьте этот код один раз в любом месте страницы: рамка будет менять высоту вместе с результатом расчёта.
<script>window.addEventListener("message",function(e){if(e.origin!=="https://gaw.ru"||!e.data||e.data.type!=="gaw:embed-height")return;var f=document.querySelectorAll('iframe[src^="https://gaw.ru/embed/"]');for(var i=0;i<f.length;i++)if(f[i].contentWindow===e.source)f[i].style.height=e.data.height+"px"})</script>Обновлено .
Нашли ошибку в расчёте?