直流電機驅動電路PCB設計目標

在設計直流電機驅動電路時，主要考慮以下幾點：

1、功能：電機是單向旋轉還是兩個方向旋轉？ 需要調速？ 對于單向電機驅動，只需使用大功率三極管或場效應管或繼電器直接驅動電機即可。 當電機需要雙向旋轉時，采用四塊功率PCB元件組成的H橋電路或采用雙刀雙擲繼電器。 如果不需要調速，用繼電器即可； 但如果需要調速，可以采用三極管、場效應管等開關元件來實現PWM（脈沖寬度調制）調速。

2、性能：對于采用PWM調速的電機驅動電路，主要有以下性能指標。

1.輸出電流和電壓范圍，決定了電路能驅動電機的功率有多大。

2.效率，高效率不僅意味著省電，而且減少了驅動電路的發熱。 要提高電路的效率，我們可以從保證功率器件的開關狀態入手，防止共態導通（H橋或推挽電路中可能出現的一個問題是兩個功率器件同時導通短路 電路的電源） 。

3.對控制輸入的影響。 電源電路對其輸入端應有良好的信號隔離，防止高電壓、大電流進入主控電路，可采用高輸入阻抗或光耦進行隔離

4.對電源的影響。 共態導通會造成電源電壓瞬時下降，造成高頻電源污染； 大電流可能導致地線電位浮動。

5.可靠性。 無論增加何種控制信號和無源負載，電機驅動電路都應盡可能安全。

1、輸入與電平轉換：

輸入信號線由DATA引出，1腳為地線，其余為信號線。 請注意，引腳 1 通過 2K 歐姆電阻接地。 當驅動板和單片機分別供電時，該電阻可以為信號電流返回提供通路。 當驅動板與單片機共用一組電源時，這個電阻可以防止大電流順著線路流向單片機主板的地線造成干擾。 也就是說，相當于將驅動板的地線與單片機的地線分開，實現“一點接地”。

高速運放KF347（也可用TL084）為比較器，將輸入的邏輯信號與來自指示燈和二極管的2.7V基準電壓進行比較，轉換成接近電源的方波信號 電源電壓幅值。 KF347的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓，否則會出錯。 因此在運算放大器的輸入端加了一個二極管，防止電壓范圍溢出。 輸入端的兩個電阻，其中一個用于限流，另一個用于在輸入懸空時將輸入端拉至低電平。

不能用LM339或其他任何開路輸出比較器代替運放，因為開路輸出高電平狀態的輸出阻抗大于1千歐，壓降大，后級 三極管不能截止。

2、電網驅動部分：

后級三極管、電阻和穩壓管組成的電路將信號進一步放大，驅動場效應管的柵極，并利用場效應管本身的柵極電容（約1000pF）進行延時，防止同時導通（“共態導通”） ") 的 H 橋上臂和下臂上的 FET 引起電源短路。

當運放輸出端為低電平（1V~2V左右，不能完全歸零）時，后面的三極管截止，場效應管導通。 上三極管導通，場效應管截止，輸出高電平。 當運放輸出端為高電平（約VCC-（1V到2V），不能完全達到VCC）時，后面的三極管導通，場效應管截止。 上三極管截止，場效應管導通，輸出低電平。

以上分析是靜態的，下面討論開關的動態過程：三極管的導通電阻遠小于2千歐，所以當三極管從關斷切換到導通時，場效應管柵極電容上的電荷可以 快速釋放，FET 可以快速關斷。 但是，當三極管從導通切換到截止時，MOSFET柵極需要一定的時間才能通過一個2kΩ的電阻進行充電。 因此，場效應管從導通到關斷的轉換速度比從關斷到導通的轉換速度快。 如果兩個三極管同時發生開關動作，該電路可以使場效應管的上下臂先截止再導通，消除了共態導通現象。

事實上，運算放大器的輸出電壓發生變化需要一定的時間。 在此期間，運算放大器的輸出電壓處于正負電源電壓的中間。 此時兩個三極管同時導通，場效應管同時截止。 所以實際電路比這種理想情況更安全。

FET柵極的12V齊納二極管用于防止FET柵極過壓擊穿。 普通場效應管柵極耐壓為18V或20V，直接加24V電壓會擊穿。 所以穩壓二極管不能用普通二極管代替，可以用2kΩ的電阻代替，同樣可以獲得12V的分壓。

3、場效應管輸出部分：

大功率場效應管內部的源極和漏極之間有反向并聯的二極管。 當連接到H橋時，相當于輸出端并聯了四個用于消除電壓尖峰的二極管，所以沒有外接二極管。 在輸出端并聯一個小電容（在out1和out2之間）對降低電機產生的峰值電壓有一定的好處，但使用PWM時有產生峰值電流的副作用，所以容量不宜太大 大的。 使用小功率電機時可以省略此電容。 如果加這個電容，必須使用耐壓高的電容。 普通陶瓷貼片電容可能會出現擊穿和短路故障。

輸出端由電阻、LED、電容并聯組成的電路指示電機的旋轉方向

4、性能指標：

電源電壓15~30V，最大持續輸出電流5A/每臺電機，短時間（10秒）可達10A，PWM頻率最大可達30KHz（一般為1~10KHz）。 電路板包含四個邏輯上獨立的功放單元，其輸出端成對連接組成H橋，可由單片機直接控制。 實現電機的雙向旋轉和調速。

5、PCB設計外包代理涂裝PCB布局布線：

大電流線路盡量短粗，盡量避免通過過孔。 如果一定要穿過過孔，把過孔做大一點（>1mm），在焊盤上做一圈小過孔，焊接時用焊錫填滿，否則容易燒掉。 另外，如果使用穩壓管，場效應管源極到電源和地的導體要盡量短而粗，否則電流大時，這一段的壓降 正偏壓穩壓管和導通三極管可能會燒壞導體。 設計之初，在NMOS管的源極和地之間接了一個0.15歐姆的電阻來檢測電流，成為了燒板的罪魁禍首。 當然，如果穩壓管換成電阻就不存在這個問題了。

電機驅動電路的PCB需要采用特殊的散熱技術來解決功耗問題。 印刷電路板 (PCB) 基板（如 FR-4 環氧玻璃）導熱性差。 相反，銅具有優良的導熱性。 因此，從熱管理的角度來看，增加PCB中的銅面積是一種理想的解決方案。 厚銅箔（例如 2 盎司（68 微米厚））比薄銅箔具有更好的導熱性。 然而，使用厚銅箔成本高且難以實現精細幾何形狀。 因此，通常使用 1 盎司（34 微米）的銅箔。 外層通常使用 ? 盎司到 1 盎司的銅箔。 多層線路板內層采用實心銅面，散熱性好。 但是，由于這些銅面通常位于電路板疊層的中央，因此熱量會在電路板內部積聚。 增加PCB外層的鋪銅面積，通過許多通孔將其連接或“縫合”到內層，有助于將熱量傳遞到內層外部。

由于布線和元器件的存在，雙層PCB的散熱可能會比較困難。 因此，有必要提供盡可能多的實心銅表面，并與電機驅動器 IC 實現良好的熱連接。 兩個外層都增加了覆銅區，并與許多通孔相連，以幫助布線和元器件分隔的區域之間散熱。

布線寬度：越寬越好

由于電機驅動IC的輸入輸出電流較大（部分情況下超過10A），輸入輸出器件的PCB布線寬度應慎重考慮。 布線越寬，電阻越低。 必須調整接線的大小，使接線電阻不會消耗太大的功率，以免加熱接線。 太小的接線其實可以當電熔絲用，很容易燒壞！

設計人員通常使用 IPC-2221 來確定合適的布線寬度。 本規范提供了相應的圖表，顯示了各種電流水平下的銅截面積和允許的溫升，在給定銅層厚度的情況下，可以將其轉換為線寬。 例如，在一盎司銅層中承載10A電流的導線需要略寬于7mm才能實現10℃的溫升。 對于1-A電流，布線寬度只需0.3mm。 由此看來，10A的電流似乎不可能通過微型IC板。