摘? 要： 美國NS公司推出的面向中小型直流電機及步進電機的全橋功放集成電路LDM18245，只需外接兩個電阻和兩個電容，即可實現電機的功率驅動、電流控制及多種保護功能。詳細介紹了該集成電路的工作原理及典型應用。
關鍵詞： 電機驅動 PWM 功率放大器 功放集成電路 LMD18245
??? 隨著集成電路制造技術的發展，集成功率放大器的性能不斷提高。當前，出現了許多用于中小型直流電機及步進電機驅動的性能優良的集成電路產品。對于中小型直流電機及步進電機控制電路的設計人員來說，選用性能參數都比較合適的集成功率放大器，與采用分立元件設計的功放電路相比，不但能減小功放電路的體積，提高功放電路的整體性能;而且由于集成功放中設計了多種多樣的保護電路，從而可以減少系統發生故障的可能性，提高電路的可靠性。例如，美國國家半導體公司(National Semiconductor Inc.)推出的DMOS全橋電機驅動器LMD18245，只需外接兩個電阻和兩個電容，即可實現電機的全橋驅動、數字電流控制、過流保護、過熱保護、欠壓保護、防止對管直通等功能，充分體現了集成功放電路外圍電路簡單、性能穩定可靠、控制功能全面的特點。
LMD18245是為中小型直流電機及兩相步進電機設計的功率放大集成電路。NS公司在該種芯片的制造過程中應用了多種技術， 以達到在單個芯片上同時集成雙極性邏輯電路、CMOS邏輯電路以及DMOS功率開關電路的目的，從而使芯片內部不僅包含了DMOS開關功率放大電路，還包含了直流電機和步進電機驅動及控制所需的所有電路模塊，如四位D/A轉換器、電機電流傳感放大器、比較器、單穩電路、輸入及控制邏輯、過流保護、欠壓保護、過熱保護等。在負載電流的測量上，針對在電機回路中串入傳感電阻測量電機電流，將導致較大功率損耗的缺陷，NS公司采用了一種基本上無功率損耗的新型電流傳感技術，使低成本下的無功率損耗電流測量成為可能。由于采用了固定切斷時間的斬波放大器(Fixed Off-time Chopper)及內置四位D/A轉換器，該芯片可以很容易完成電機電流的數字控制，實現步進電機的微步驅動。另外，LMD18245中的全DMOS H-橋功率開關低導通電阻特性，使其具有很高的功放效率。
1 主要性能參數及引腳定義
1.1 LMD18245的主要性能參數
· 工作溫度范圍: -40℃～+125℃
· 電機電源電壓范圍:+12V～+55V
· 最大邏輯電壓:+12V
· 最大輸出持續電流:3A
· 最大輸出峰值電流:6A
· 最小輸入脈沖寬度:2μs
· 電流傳感器最大線性誤差(0.5A～3A):±9%
1.2 LMD18245引腳定義
LMD18245采用15腳TO-220封裝，引腳排列如圖1所示。各引腳功能如下:
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· OUT 1，OUT2： DMOS H-橋功放輸出，接負載電機。
· COMP OUT：比較器輸出。當電流傳感器引腳CS OUT的電壓超過D/A轉換器給定電壓時，比較器翻轉，觸發單穩電路工作，切斷電機供電電路。
· RC： 單穩電路時間參數引腳。在該引腳與地之間連接一并聯RC網絡，可以將單穩脈沖的寬度設置為1.1RC秒。
· PGND： 電機電源地。
· M4，M3，M2，M1： D/A轉換器的二進制數字輸入，其中M4為最高位。
· VCC： 電機電源端。
· BRAKE：急停引腳。當該引腳為邏輯高電平輸入時，H-橋的兩個輸入開關迅速將負載短路，從而使負載電流迅速衰減到零，達到″緊急剎車″的效果。其真值表見表1。
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· DIRECTION： 方向邏輯輸入引腳，邏輯電平與負載方向的關系見表1。
· SGND： 邏輯電源地。
· CS OUT： 電流傳感放大器輸出，電流傳感器的典型值為每安培負載電流輸出250μA。
· DAC REF： D/A轉換器參考電壓輸入，D/A轉換器的輸出電壓為VDAC REF×D/16。
2? 工作原理
2.1 LMD18245的工作過程
LMD18245的內部功能框圖如圖2所示，其控制方式采用固定關斷時間斬波放大 (Fixed Off-time Chooper) 技術，工作過程如下:
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上電后，在BRAKE信號無效，且保護邏輯無輸出的情況下， 電機按DIRECTION信號的方向轉動， 電流傳感放大器采樣電機電樞電流，經13腳的RC網絡轉換為電壓值，與D/A轉換輸出的預定閥值相比較。如果當前的電流使轉換的電壓值小于閥值，則控制H-橋輸入開關(Source Switch:S1或S2)及對角的輸出開關(Sink Switch:S4或S3)保持導通， 電源電壓全部加在負載上，使負載電流通過電源→S1→負載→S4→地或電源→S2→負載→S3→地的回路(圖3a及圖3b實線所示)，以指數規律增加。 接在CS OUT端的阻容網絡上的電壓值VCS也隨之增長，當負載電流增加到或超過閥值電流時，VCS隨后也達到閥值電壓，滯后的時間與阻容網絡的時間常數有關，從而使比較器翻轉， 觸發單穩電路翻轉， 關斷輸出開關(S4或S3)。此時，電機電樞電流在電樞電感的作用下， 通過繼流二極管構成的回路(圖3a及圖3b虛線所示)， 繼續沿原方向流動， 其大小呈指數規律衰減并趨向于零。輸出開關關斷的時間，即固定關斷時間
toff-time由單穩電路的時間常數決定， 其計算公式為：
toff-time=1.1RC
其中， R、C分別為引腳3所接的電阻和電容。
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當關斷時間到達的時候，則輸出開關重新閉合，電樞電流又呈指數規律增長，重復前面的過程，形成電樞電流的固定關斷時間斬波控制。
當DIRECTION信號改變時，系統進入方向轉換階段。首先，所有四個功率開關都被關斷，電流通過續流二極管構成的回路(圖3c或圖3d所示的虛線)向零衰減;在電流接近零時，反向開關閉合，通過反向開關構成的回路(圖3c或圖3d所示的實線)電流迅速衰減到零，并隨后反向增大到目標電流值。
2.2? LMD18245的電流傳感原理
LMD18245中的DMOS功率開關由大量的晶體管單元陣行組成。LMD18245通過獨特的低功率損耗的方法， 利用兩個輸入開關(Source Swatch)陣列中的幾個單元，得到電機負載電流。LMD18245的電流傳感器結構如圖4所示。對于每一個輸入DMOS開關，都有1X的傳感器開關和4000X的功率開關同時工作，由于電流傳感放大器的虛短效果，使傳感器開關兩端的電壓與DMOS功率開關兩端的電壓相同，從而使傳感器開關按1/4000負載電流的比例輸出傳感電流。每輸出1A的負載電流，電流傳感放大器就會輸出250μA的傳感電流。在傳感電流的輸出端與地之間加入并行阻容網絡，一方面將該電流轉化為電壓信號，與D/A轉換輸出的閥值電壓相比較，觸發斬波過程;另一方面通過該低通濾波器可以將電流開關噪聲的影響濾除。
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電流傳感電阻RS值的選定可以參考以下公式:
RS=(VDAC REF×D/16)/[(250×10-6)×ILOAD MAX)]
其中，ILOAD MAX為電機負載電流的最大設定值;RS為電流傳感器輸出電阻;VDAC REF為D/A轉換器的參考電壓，最大值為12V，建議采用0～5V;D為D/A轉換器的輸入值，以M4為最高位，M1為最低位，D的取值范圍為十進制0～15V，即RS的值應該使D的變化能夠控制ILOAD在負載需要的范圍內變化。
2.3 保護功能的工作原理及應用注意事項
LMD18245具有過流保護、過熱保護、欠壓保護等多種保護功能，使由該芯片構成的功放系統具有較高的安全性和可靠性。下面分別介紹各保護功能的工作原理及應用時應注意的事項。
過流保護實際是利用芯片內部的12A電流閥值開關實現的。如果芯片的兩個輸入開關中的任意一個的電流達到了12A的閥值，LMD18245的內部電路就將開關關閉，并迫使故障電流在大約3μs的時間內衰減到零。在此之后，芯片自動重新啟動。應當注意的是:如果此時電路故障已經排除，自動啟動后電路將迅速恢復到正常工作狀態;但如果故障沒有消除，電流仍然過大，則芯片將反復進入電流通斷狀態。反復開關如此大的電流，將在電源線上感應出破壞性的電壓尖峰脈沖(Spike)，如果該脈沖的幅度超過芯片的最大承受電壓(60V)，則有可能造成芯片永久性損壞。因此，芯片的Vcc端要求必須能可靠濾除電壓尖峰脈沖，以保護芯片不被損壞。
在實際操作過程中，由于電機電流的跳變或換向經常出現，因此電源線上也經常會出現尖峰電壓或浪涌電流。在電路實際設計中，常采用在芯片的電源端并聯高頻陶瓷濾波電容及大容量鋁電解電容的方法消除尖峰脈沖及浪涌電流。通常陶瓷電容的容值設定為1μF左右;鋁電解電容的大小設置為每安培負載電流100μF左右。另外，在布線時應注意:電容距Vcc的距離應在0.5英寸以內，電容的管腳引線應盡量短。
過熱保護是利用芯片內部的結溫傳感器實現的。當結溫超過155℃時，結溫傳感器將功率開關關閉，當結溫下降到閥值以下時，芯片將自動重新啟動。
欠壓保護的工作過程為:當電源電壓下降到大約5～8V的閥值以下時，內部電路將關閉功率開關;如果電壓恢復正常，芯片將重新啟動。
3 典型應用
3.1 驅動步進電機
圖5為采用LMD18245的兩相步進電機斬波功放應用電路。其固定斬波時間為:
電機的最大電流為0.95A，電流傳感電阻阻值為:
步進電機的A、B兩相各有一LMD18245控制，兩芯片的方向控制端(DIRECTION)、電流控制端(M4～M1)、急停控制端(BRAKE)均與微控制器相連，從而使微控制器能夠很方便地控制電機線圈的電流大小及方向，實現步進電機的整步控制、半步控制及細分微步控制等多種驅動方式。電源端并聯的1μF陶瓷電容及100μF電解電容，可有效防止過壓脈沖的沖擊，防止芯片損壞。20kΩ的傳感電阻既保證了線圈電流能達到滿幅，使電機輸出最大力矩，又防止了電流超過滿幅電流而燒壞電機。
3.2? 雙極性輸出方式驅動直流電機
H-橋結構的電機功放電路通常有雙極性輸出和單極性輸出兩種控制方式，各有各的特點。下面分別給出其驅動某種直流電機時的電路。
利用LMD18245實現直流電機的雙極性輸出的電路結構如圖6所示，其固定斬波時間設定為:
由于電機的最大電流為150mA，電流傳感電阻的阻值RS為:
芯片的各控制端連接微控制器，與圖5電路不同的是，芯片的DIRECTION端連接微控制器的PWM輸出。通過改變PWM脈沖的占空比，可以改變電機的轉速和轉向。微控制器還可以通過M4～M1端改變電機的最大電流閥值，控制電機的力矩大小，從而方便地實現電機控制。但這種連接方式也有電機電流波動較大的缺點。
3.3 單極性輸出方式驅動直流電機
采用單極性輸出方式驅動直流電機的電路如圖7所示，電路參數同上。在微控制器的控制下，電機的轉速由PWM脈沖的占空比決定，方向由DIRECTION信號電平決定，該連接方式下電機電流波動小，但由于電機的電流閥值固定，無法通過軟件調節。
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利用NS公司的LMD18245全橋電機驅動器，我們已完成了多種機器人的電機驅動電路的設計。使用過程表明，采用該器件不僅可提高設計效率、縮短設計周期，而且可減小功放電路的體積。同時，長時間的實驗操作表明，該芯片工作穩定可靠、性能優良，相信會對中小型直流和步進電機驅動電路設計人員有所幫助。
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參考文獻
1 韓壯志.基于DSP的新型靈巧手控制器設計. 碩士學位論文.北京航空航天大學， 1999
2 何永強， 新型靈巧手控制系統與觸覺識別研究. 碩士學位論文. 北京航空航天大學， 1996
3 National Power ICs Databook. National Semiconductor?Inc， 1995
4 秦繼榮， 沈安俊.現代直流伺服控制技術及其系統設計.北京:機械工業出版社， 1993