電路功能與優(yōu)勢
　　本電路是一個由高功率開關MOSFET組成的H電橋,，MOSFET受低壓邏輯信號控制,，如圖1所示,。該電路為邏輯信號和高功率電橋提供了一個方便的接口,。H電橋的高端和低端均使用低成本N溝道功率MOSFET,。該電路還在控制側與電源側之間提供電流隔離,。本電路可以用于電機控制,、帶嵌入式控制接口的電源轉換、照明,、音頻放大器和不間斷電源(UPS)等應用中,。
　
　　現代微處理器和微控制器一般為低功耗型，采用低電源電壓工作,。2.5 V CMOS邏輯輸出的源電流和吸電流在μA到mA范圍,。為了驅動一個12 V切換、4 A峰值電流的H電橋,，必須精心選擇接口和電平轉換器件,，特別是要求低抖動時。
　
　　ADG787是一款低壓CMOS器件,，內置兩個獨立可選的單刀雙擲(SPDT)開關,。采用5 V直流電源時，有效的高電平輸入邏輯電壓可以低至2 V,。因此,，ADG787能夠提供驅動半橋驅動器ADuM7234所需的2.5 V控制信號到5 V邏輯電平的轉換。
　
　　ADuM7234是一款隔離式半橋柵極驅動器,，采用ADI公司iCoupler®技術,，提供獨立且隔離的高端和低端輸出，因而可以專門在H電橋中使用N溝道MOSFET,。使用N溝道MOSFET有多種好處：N溝道MOSFET的導通電阻通常僅為P溝道MOSFET的1/3,，最大電流更高；切換速度更快，功耗得以降低,；上升時間與下降時間是對稱的,。
　
　　ADuM7234的4 A峰值驅動電流確保功率MOSFET可以高速接通和斷開，使得H電橋級的功耗最小,。本電路中,，H電橋的最大驅動電流可以高達85 A，它受最大容許的MOSFET電流限制,。
　
　　ADuC7061 是一款低功耗,、基于ARM7的精密模擬微控制器，集成脈寬調制(PWM)控制器,，其輸出經過適當的電平轉換和調理后,，可以用來驅動H電橋,。
　
　　使用隔離式半橋驅動器的H電橋驅動電路 (CN0196)

圖1. 使用ADuM7234隔離式半橋驅動器的H電橋（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述
　　2.5 V PWM控制信號電平轉換為5 V
　
　　EVAL-ADuC7061MKZ提供2.5 V邏輯電平PWM信號,，但ADuM7234在5 V電源下的最小邏輯高電平輸入閾值為3.5 V。由于存在這種不兼容性,，因此使用ADG787開關作為中間電平轉換器,。ADG787的最小輸入邏輯高電平控制電壓為2 V，與ADuC7061的2.5 V邏輯兼容,。ADG787的輸出在0 V與5 V之間切換,，足以驅動3.5 V閾值的ADuM7234輸入端。評估板提供兩個跳線,，便于配置控制PWM信號的極性,。
H電橋簡介
　　圖1所示的H電橋具有4個開關元件（Q1、Q2,、Q3,、Q4）。這些開關成對導通,，左上側(Q1)和右下側(Q4)為一對,，左下側(Q3)和右上側(Q2)為一對。注意,，電橋同一側的開關絕不會同時導通,。開關可以利用MOSFET或IGBT（絕緣柵極雙極性晶體管）實現，使用脈寬調制(PWM)信號或控制器的其它控制信號接通和斷開開關,，從而改變負載電壓的極性,。
　
　　低端MOSFET（Q3、Q4）的源極接地,，因此其柵極驅動信號也以地為參考,。另一方面，高端MOSFET（Q1、Q2）的源極電壓會隨著MOSFET對的接通和斷開而切換,，因此,，最佳柵極驅動信號應參考或“自舉”到該浮空電壓。
　
　　ADuM7234的柵極驅動信號支持在各輸入與各輸出之間實現真正的電流隔離,。相對于輸入,，各路輸出的工作電壓最高可達±350 VPEAK，因而支持低端切換至負電壓,。因此,，ADuM7234可以在很寬的正或負切換電壓范圍內，可靠地控制各種MOSFET配置的開關特性,。為了確保安全和簡化測試,，選擇12 V直流電源作為本設計的電源。
　
自舉柵極驅動電路
　　高端和低端的柵極驅動器電源是不同的,。低端柵極驅動電壓以地為參考,，因此它直接產生自以地為參考的直流電源。然而,，高端是懸空的,，因此需要使用自舉驅動電路，其工作原理如下所述,。
　
　　觀察圖1所示H橋電路的左側,，自舉驅動電路利用電容C1、電阻R1和R3,、二極管D1實現,。上電后，PWM不會立即發(fā)生,，所有MOSFET都處于高阻態(tài),，直到所有直流電壓完成建立。在此期間,，電容C1由直流電源通過路徑R1,、D1、C1和R3充電,。充電后的電容C1提供高端柵極驅動電壓,。C1充電的時間常數為τ = (R1 + R3) C1。
　
　　當MOSFET在PWM信號的控制下切換時,，低端開關Q3接通,，高端開關Q1斷開。高端的GNDA下拉至地,，電容C1充電,。當Q1接通時,，Q3斷開，GNDA上拉至直流電源電壓,。二極管D1反向偏置,，C1電壓將ADuM7234的VDDA電壓驅動到約24 V。因此,，電容C1在ADuM7234的VDDA和GNDA引腳之間保持約12 V的電壓,。這樣，高端MOSFET Q1的柵極驅動電壓始終參考Q1的懸空源極電壓,。
　
高端MOSFET源極上的電壓尖峰
　　當Q1和Q4接通時,，負載電流從Q1經過負載流到Q4和地。當Q1和Q4斷開時,，電流仍然沿同一方向流動,，經過續(xù)流二極管D6和D7，在Q1的源極上產生負電壓尖峰,。這可能會損害某些采用其它拓撲結構的柵極驅動器,，但對ADuM7234無影響，ADuM7234支持低端切換到負電壓,。
　
自舉電容（C1,、C2）
　　每次低端驅動器接通時,，自舉電容就會充電,，但它僅在高端開關接通時才放電。因此,，選擇自舉電容值時需要考慮的第一個參數,，就是高端開關接通并且電容用作柵極驅動器ADuM7234的高端直流電源時的最大容許壓降。當高端開關接通時,，ADuM7234的直流電源電流典型值為22 mA,。假設高端開關的導通時間為10 ms（50 Hz、50%占空比）,，使用公式C = I × ΔT/ΔV,，如果容許的壓降ΔV = 1 V，I = 22 mA,，ΔT = 10 ms,，則電容應大于220 μF。本設計選擇330 μF的容值,。電路斷電后,，電阻R5將自舉電容放電；當電路切換時,，R5不起作用,。
　
自舉限流電阻（R1,、R2）
　　對自舉電容充電時，串聯電阻R1起到限流作用,。如果R1過高,，來自ADuM7234高端驅動電源的直流靜態(tài)電流會在R1上引起過大的壓降，ADuM7234可能會欠壓閉鎖,。ADuM7234的最大直流電源電流IMAX = 30 mA,。如果該電流引起的R1壓降以VDROP = 1 V為限，則R1應小于VDROP/IMAX ,，或33 Ω,。因此，本設計選擇10 Ω的電阻作為自舉電阻,。
　
自舉啟動電阻（R3,、R4）
　　電阻R3啟動自舉電路。上電之后,，直流電壓不會立即建立起來,，MOSFET處于斷開狀態(tài)。在這些條件下,，C1通過路徑R1,、R3、D1,、VS充電,，其過程如下式所述：
　　

　　其中， vC(t)為電容電壓,，VS(為電源電壓,，VD(為二極管壓降，τ為時間常數,，τ = (R1 + R3) C1,。電路值如下：R1 = 10 ΩvC1 = 330 μF， VD = 0.5 V,，VS = 12 V,。由以上方程式可知，當R3 = 470 Ω時,，電容充電到最終值的67%需要一個時間常數的時間(158 ms),。電阻值越大，則電容的充電時間越長,。然而,，當高端MOSFET Q1接通時，電阻R1上將有12 V電壓,，因此,，如果電阻值過低,，它可能會消耗相當大的功率。對于R3 = 470 Ω,，12 V時該電阻的功耗為306 mW,。
　
自舉電容的過壓保護（Z1、Z2）
　　如上所述,，對于感性負載,，當高端MOSFET斷開時，電流會流經續(xù)流二極管,。由于電感和寄生電容之間的諧振,，自舉電容的充電能量可能高于ADuM7234消耗的能量，電容上的電壓可能上升到過壓狀態(tài),。13 V齊納二極管對電容上的電壓進行箝位,，從而避免過壓狀況。
　
柵極驅動電阻（R7,、R8,、R9、R10）
　　柵極電阻（R7,、R8,、R9、R10）根據所需的開關時間tSW.選擇,。開關時間是指將 Cgd ,、 Cgs 和開關MOSFET充電到要求的電荷Qgd 和 Qgs所需的時間。
　
使用隔離式半橋驅動器的H電橋驅動電路 (CN0196)

圖2. ADuM7234的電源軌濾波和欠壓鎖閉保護

　　描述柵極驅動電流Ig:</的方程式如下：< p>

　　其中,， VDD 為電源電壓,，RDRV為柵極驅動器ADuM7234的等效電阻,， Vgs(th)為閾值電壓,，Rg為外部柵極驅動電阻，Qgd 和 Qgs 為要求的MOSFET電荷,， tSW為要求的開關時間,。
　
　　ADuM7234柵極驅動器的等效電阻通過下式計算：
　　　　
　　根據ADuM7234數據手冊，對于 VDDA = 15 V 且輸出短路脈沖電流 IOA(SC) = 4 A,，通過方程式3計算可知,，RDRV 約為4 Ω。
　
　　根據FDP5800 MOSFET數據手冊,，Qgd = 18 nC,， Qgs = 23 nC， Vgs(th) = 1 V,。
　
　　如果要求的開關時間 tSW為100 ns,，則通過方程式2求解Rg可知,，Rg 約為 22 Ω。實際設計選擇15 Ω電阻以提供一定的裕量,。
　
電源軌濾波和欠壓保護
　　由于峰值負載電流很高,，因此必須對直流電源電壓(VDD)進行適當的濾波，以防ADuM7234進入欠壓閉鎖狀態(tài),，同時防止電源可能受到損害,。所選的濾波器由4個并聯4700 μF、25 V電容與一個22 μH功率電感串聯而成,，如圖2所示,。100 kHz時，電容的額定最大均方根紋波電流為3.68 A,。由于4個電容并聯,，因此允許的最大均方根紋波為14.72 A。所以,，IPEAK = 2√2 × IRMS = 41.63 A,。
　
　　經過濾波的+12 V電壓還驅動圖1所示的電路。
　
　　當電源電壓低于10 V時,，圖2所示電路便會禁用ADuM7234的輸入端,，從而防止ADuM7234欠壓閉鎖。將一個邏輯高電平信號施加于ADuM7234的DISABLE引腳可禁用該電路,。
　
　　開漏式低電平有效比較器 ADCMP350 用于監(jiān)視直流電源電壓,。電阻分壓器（R12、R13）的比值經過適當選擇,，當電源電壓為10.5 V時,，分壓器輸出為0.6 V，與比較器的片內基準電壓0.6 V相等,。當電源電壓降至10.5 V以下時,，比較器的輸出變?yōu)楦唠娖健Ｓ捎贏DuM7234的輸入端與輸出端之間存在電流隔離,，因此輸出端的DISABLE信號必須通過隔離器傳輸到輸入端,。 ADuM3100是基于iCoupler 技術的數字隔離器。ADuM3100兼容3.3 V和5 V工作電壓,。經過濾波的12 V電源電壓驅動線性調節(jié)器ADP1720 ,，為ADuM3100的右側隔離端提供5 V (+5V_1)電壓，如圖2所示,。
　
負載和PWM信號
　　如果使用電感作為負載,，當施加恒定電壓時，流經電感的電流將線性變化,。電壓U為12 V,，如果忽略導通電阻引起的MOSFET壓降,，則以下方程式成立：
　　

　　對于50 kHz、8%占空比PWM信號,，使用4 μH Coilcraft功率電感(SER2014-402)作為負載時,，負載電流波形如圖3所示。利用電流探頭測量電感電流,。
　
　　對于12 V電源電壓和4 μH電感,，方程式4預測斜率為3 A/μs。而實測斜率為2.8 A/μs,，斜率下降的原因在于MOSFET導通電阻引起的壓降,。
　
　　注意，電流斷開后的短時間內,，波形上會出現少量響鈴振蕩,，其原因是電感負載與續(xù)流二極管和MOSFET的寄生電容之間發(fā)生諧振。
　
　　必須注意,，電路中的電感電流不得超過其額定最大值,。如果超過，電感就會飽和,，電流將迅速提高,，可能損壞電路和電源。本電路中使用的Coilcraft SER2014-402電感負載的額定飽和電流為25 A,。
　
　　使用隔離式半橋驅動器的H電橋驅動電路 (CN0196)

圖3. 4 μH負載下負載電流與PWM脈沖的關系

常見變化
　　只需添加一些元件,，就可以將本電路輕松擴展到三相控制應用。本電路還可以用于要求更高電源電壓的應用中,，但應注意不要超過MOSFET和濾波器電容的額定值,。
　
設備要求
　　•帶USB端口和Windows XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）PC
　　•EVAL-CN0196-EB1Z電路評估板
　　•EVAL-ADuC7061MKZ評估板
　　•直流電源或電池：+12 V,、10 A
　　•負載,，如Coilcraft SER2014-402功率電感等
　　•帶電流探頭的示波器
　
開始使用
　　將CN0196評估軟件光盤放進PC的光盤驅動器，加載評估軟件,。找到包含評估軟件光盤的驅動器,，打開Readme文件。按照Readme文件中的說明安裝和使用評估軟件,。
　
設置與測試
　　將固件代碼下載到EVAL-ADuC7061-MKZ，安裝CN-0196評估軟件,，并且按照Readme文件中的跳線配置連接EVAL-ADuC7061-MKZ和EVAL-CN0196-EB1Z的控制信號,。
　
　　使用隔離式半橋驅動器的H電橋驅動電路 (CN0196)

圖4. 測試設置功能框圖

　　連接跳線LK1，將+12 V電源施加到CN2,，啟動軟件,，并通過USB電纜將PC連接到EVAL-ADuC7061-MKZ板上的微型USB連接器,。使用電感作為負載，運行軟件,，然后使用電流探頭測量電感的電流,。
　
　　有關如何使用評估軟件來獲得適當PWM信號的詳細信息，請參閱CN0196評估軟件Readme文件,。