一种正负电源供电半桥电路的驱动电路及其驱动方法与流程

本发明涉及直流电机驱动技术领域，具体涉及一种正负电源供电半桥电路的驱动电路及其驱动方法。

背景技术：

直流电机广泛用于工业及国防领域，在航天、航空、船舶、兵器、铁路、通信、医疗电子、工业自动化设备等军民用电子系统中得到广泛应用。传统的双向电机为有刷电机，依靠电刷来切换电机的转向，这种电刷控制方式，会对系统产生较大的电流脉冲干扰和电压脉冲干扰。现代直流电机采用半桥电路控制，直流电机的单向转动是通过单电源供电、正向脉冲pwm控制方式控制电机的转速，且可以实现无级调速。这种控制方式，市场上已用成熟的半桥驱动器单片电路，如ir2110等。直流电机的双向转动是通过正负电源供电、正负幅度脉冲信号pwm控制方式控制电机的转速或转向，当正脉冲宽度大于负脉冲宽度时电机则正向转动，当负脉冲宽度大于正脉冲宽度时电机则反向转动，当正脉冲宽度与负脉冲宽度相等时电机则停止转动。而正负电源供电的半桥电路，目前国内外尚无现成、可用的驱动电路。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种正负电源供电半桥电路的驱动电路及其驱动方法，可根据实际需要可自行设置死区时间，消除半桥电路共态导通，确保半桥电路安全、可靠地工作。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种正负电源供电半桥电路的驱动电路，包括死区时间设置电路、第一电压自举电路、第二电压自举电路、第一瞬时共态抑制电路、第二瞬时共态抑制电路及半桥驱动电路；

所述死区时间设置电路，用于设置与调节半桥驱动电路中两个mos管同时截止的时间（即死区时间），避免半桥驱动电路中两个mos管同时导通（即共态导通）；所述第一电压自举电路，用于对半桥驱动电路中pmos管g极电位的抬高，实现对v14管导通与截止的有效控制；所述第二电压自举电路，用于对半桥驱动电路中nmos管(v15)g极电位的抬高，实现对v15管导通与截止的有效控制；所述第一瞬时共态抑制电路，用于加速pmos管(v14)由导通状态向关断状态的切换，减小切换时间以抑制pmos管(v14)从导通到关断过程中与nmos管(v15)间的瞬态共态导通；所述第二瞬时共态抑制电路，用于加速nmos管(v15)由导通状态向关断状态的切换，减小切换时间以抑制nmos管(v15)从导通到关断过程中与pmos管(v14)间的瞬态共态导通；所述半桥驱动电路，用于对负载电机正、反向交替加电，实现对电机的运转速、运转方向的控制。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述死区时间设置电路包括第一限流电阻（r1）、第二限流电阻（r2）、第一三极管（v11）、第二三极管（v12）、第一稳压管（v13）及用于调节死区时间的第一电容（c1），所述第一限流电阻（r1）的一端与输入脉冲信号连接，第一限流电阻（r1）的另一端与第二限流电阻（r2）的一端连接，第二限流电阻（r2）的另一端与第一三极管（v11）及第二三极管（v12）的基极连接，第一限流电阻（r1）和第二限流电阻（r2）的公共端与第一电容（c1）的一端相连，第一电容（c1）的另一端与电源地相连，所述第一三极管（v11）的集电极与第一电压自举电路及第一瞬时共态抑制电路的低端连接，第一三极管（v11）的发射极与第二三极管（v12）的发射极连接，第二三极管（v12）的集电极与第二电压自举电路及第二瞬时共态抑制电路的高端相连，所述第一稳压管（v13）的一端与第一三极管（v11）的发射极连接，其另一端接地。

所述第一电压自举电路包括第一储能电容（c2）、第三限流电阻（r5）、第二稳压管（v5）、第三稳压管（v9）及第一隔离二极管（v7）；所述第一储能电容（c2）的一端与死区时间设置电路连接，其另一端与第一隔离二极管（v7）的阳极连接，所述第一隔离二极管（v7）的阳极与第二稳压管（v5）的阴极连接，第二稳压管（v5）的阳极经第三限流电阻（r5）与正电源vcc相连，所述第三稳压管（v9）的阴极与第一隔离二极管（v7）的阴极连接，第三稳压管（v9）的阳极与死区时间设置电路连接。

所述第二电压自举电路包括第二储能电容（c3）、第四限流电阻（r6）、第二隔离二极管（v8）、第四稳压管（v6）、第五稳压管（v10）；所述第二储能电容（c3）的一端与第二隔离二极管（v8）的阳极及死区时间设置电路连接，第二储能电容（c3）的另一端与第四稳压管（v6）的阳极连接，第四稳压管（v6）的阴极经第四限流电阻（r6）与负电源vee连接，所述第二隔离二极管（v8）的阴极与第五稳压管（v10）的阴极连接，第五稳压管（v10）的阳极与第四稳压管（v6）的阳极连接。

所述第一瞬时共态抑制电路包括第五限流电阻（r3）、第五稳压管（v1）及第三三极管（v3）；所述第三三极管（v3）的基极与第五稳压管（v1）的阴极连接，其集电极与死区时间设置电路连接，其发射极与正电源（vcc）连接，所述第五稳压管（v1）的阳极经第五限流电阻（r3）与输入脉冲信号（vin）连接。

所述第二瞬时共态抑制电路包括第六限流电阻（r4）、第六稳压管（v2）及第四三极管（v4）；所述第四三极管（v4）的基极与第六稳压管（v2）的阳极连接，第四三极管（v4）的发射极与负电源（vee）相连，第四三极管（v4）的集电极与第二电压自举电路连接，所述第六稳压管（v2）的阴极经第六限流电阻（r4）与输入脉冲信号（vin）连接。

所述半桥驱动电路包括第一mos管（v14）、第二nmos管（v15）、第四电容（c4）、第七电阻（r7）、第五电容（c5）及第八电阻（r8）；所述第一mos管（v14）的源极与正电源（vcc）连接，第一mos管（v14）的栅极与第一电压自举电路连接，第一mos管（v14）的漏级与第二nmos管（v15）的漏级连接，构成电路的输出端口，所述第二nmos管（v15）的栅极与第二电压自举电路连接，第二nmos管（v15）的源极与负电源（vee）相连，第四电容（c4）与第七电阻（r7）串联后连接到正电源（vcc）与输出端口间，所述第五电容（c5）与第八电阻（r8）串联后连接到输出端口与负电源（vee）之间。

一种正负电源供电半桥电路的驱动方法，包括以下步骤：

在半桥驱动电路的两个半桥mos管栅极分别设置一个电压自举电路，通过电压自举电路控制每个半桥mos管的导通与截止；

在输入脉冲信号与电压自举电路之间增加死区时间设置电路，以调节电路中的死区时间，避免半桥驱动电路中的两个mos管因共态导通而烧毁；

当其中一路电压自举电路导通时，通过其内部的储能电容进行储能，使与该电压自举电路连接的半桥mos管导通，当该电压自举电路截止时，储能电容中的储能无释放回路，从而将该半桥mos管的g极电位降低，实现电压自举功能，使与该半桥mos管快速截止；

输入脉冲信号同时加入到瞬时共态抑制电路，通过瞬时共态抑制电路中的开关管实现与其对应的半桥mos管导通与截止状态相反，以抑制两个半桥mos管导通与关断状态切换过程中的瞬态共态导通，消除互补mos管因瞬态共态导通而损坏，即其中一个半桥mos管导通时，另一个半桥mos管处于截止状态。

由上述技术方案可知，本发明所述的驱动电路采用双向电压自举技术与双向瞬态抑制技术相结合、以及瞬态抑制与半桥驱动时序控制技术，实现正负电源供电半桥电路的有效控制与驱动。其优点在于不但可以控制直流电机的运转速度，而且可以改变直流电机的运转方向。本发明驱动电路中采用互补型推挽电路、双向稳压管及延时电容等构成死区时间设置与调节电路，实际使用时可自行设置死区时间的大小，从而有效地消除半桥电路共态导通，确保半桥电路安全、可靠地工作。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本实施例的正负电源供电半桥电路的驱动电路，包括死区时间设置电路、第一电压自举电路、第二电压自举电路、第一瞬时共态抑制电路、第二瞬时共态抑制电路及半桥驱动电路；

该死区时间设置电路，用于设置与调节半桥驱动电路中两个mos管同时截止的时间（即死区时间），避免半桥驱动电路中两个mos管同时导通（即共态导通）；第一电压自举电路，用于对半桥驱动电路中pmos管v14g极电位的抬高，实现对v14管导通与截止的有效控制；第二电压自举电路，用于对半桥驱动电路中nmos管v15g极电位的抬高，实现对v15管导通与截止的有效控制；第一瞬时共态抑制电路，用于加速pmos管v14由导通状态向关断状态的切换，减小切换时间以抑制pmos管v14从导通到关断过程中与nmos管v15间的瞬态共态导通；第二瞬时共态抑制电路，用于加速nmos管v15由导通状态向关断状态的切换，减小切换时间以抑制nmos管v15从导通到关断过程中与pmos管v14间的瞬态共态导通；半桥驱动电路，用于对负载电机正、反向交替加电，实现对电机的运转速、运转方向的控制。该死区时间设置电路可根据实际使用要求设置死区时间为：100ns～10μs，以避免互补mos管因共态导通而烧毁；电压自举电路由自举电容和稳压二极管组成，实现对互补mos管的有效控制；瞬时共态抑制电路通过晶体管开关与对应mos管的反相控制，抑制互补mos管“导通”与“关断”状态切换过程中的瞬态共态导通，消除互补mos管因瞬态共态导通而损坏。

如图1所示，死区时间设置电路1包括第一限流电阻r1、第二限流电阻r2、第一三极管v11、第二三极管v12、双向稳压的第一稳压管v13及用于调节死区时间的第一电容c1，第一限流电阻r1的一端与输入脉冲信号连接，第一限流电阻r1的另一端与第二限流电阻r2的一端连接，第二限流电阻r2的另一端与第一三极管v11及第二三极管v12的基极连接，第一限流电阻r1和第二限流电阻r2的公共端与第一电容c1的一端相连，第一电容c1的另一端与电源地相连，第一三极管v11的集电极与第一电压自举电路2中的第三稳压管v9v9的阳极及第一瞬时共态抑制电路4中的第三三极管v3的集电极连接，第一三极管v11的发射极与第二三极管v12的发射极连接，第二三极管v12的集电极与第二电压自举电路3中的第二隔离二极管v8的阳极连接及第二瞬时共态抑制电路5中的第四三极管v4的集电极连接，第一稳压管v13的一端与第一三极管v11的发射极连接，第一稳压管v13的另一端接地。

输入脉冲信号vin为正负幅度的双向脉冲信号，该脉冲信号通过第一限流电阻r1、调节死区时间的第一电容c1、第二限流电阻r2加到由第一三极管v11和第二三极管v12构成的推挽电路的基极输入端，根据输入脉冲信号vin的正、负，决定第一三极管v11和第二三极管v12的导通与截止；

第一电压自举电路2包括第一储能电容c2、第三限流电阻r5、第二稳压管v5、决定自举电压大小的第三稳压管v9及第一隔离二极管v7；第一储能电容c2的一端与死区时间设置电路1连接，其另一端与第一隔离二极管v7的阳极连接，第一隔离二极管v7的阳极与第二稳压管v5的阴极连接，第二稳压管v5的阳极经第三限流电阻r5与正电源vcc相连，第三稳压管v9的阴极与第一隔离二极管v7的阴极连接。

第一npn管v11的集电极电平加入到第一电压自举电路2的低端，控制第一电压自举电路2的导通与截止；当第一电压自举电路2导通时，第一储能电容c2开始储能，第一储能电容c2储满电能后两端的电压值由第三稳压管v9的稳压值决定；同时，第一电压自举电路2导通时，第三限流电阻r5和第三稳压管v5的导通电压将使半桥pmos管v14导通；当第一电压自举电路2截止时，第二电容c2中的储能无释放回路，从而将半桥pmos管v14的g极电位比第一三极管v11的集电极抬高第三稳压管v9的稳压值，实现电压自举功能，使半桥pmos管v14快速截止。

第二电压自举电路3包括第二储能电容c3、第四限流电阻r6、第二隔离二极管v8、第四稳压管v6、第五稳压管v10；第二储能电容c3的一端与第二隔离二极管v8的阳极及死区时间设置电路1中的第二三极管v12的集电极连接，第二储能电容c3的另一端与第四稳压管v6的阳极连接，第四稳压管v6的阴极经第四限流电阻r6与负电源vee连接，第二隔离二极管v8的阴极与第五稳压管v10的阴极连接，第五稳压管v10的阳极与第四稳压管v6的阳极连接。

第二三极管v12的集电极电平加入到第二电压自举电路3的高端，控制第二电压自举电路3的导通与截止；当第二电压自举电路3导通时，第二储能电容c3开始储能，第二储能电容c3储满电能后两端的电压值由第五稳压管v10的稳压值决定；同时，第二电压自举电路3导通时，第四限流电阻r6和第四稳压管v6的导通电压将使半桥nmos管v15导通；当第二电压自举电路3截止时，第二储能电容c3中的储能无释放回路，从而将半桥nmos管v15的g极电位比第二三极管v12的集电极降低（即负向抬高）第五稳压管v10的稳压值，实现电压自举功能，使半桥nmos管v15快速截止。

第一瞬时共态抑制电路4包括第五限流电阻r3、第五稳压管v1及起到开关作用的第三三极管v3；第三三极管v3的基极与第五稳压管v1的阴极连接，第三三极管v3的集电极与死区时间设置电路1中的第一三极管v11的集电极连接，第三三极管v3的发射极与正电源vcc连接，第五稳压管v1的阳极经第五限流电阻r3与输入脉冲信号vin连接。

输入脉冲信号vin同时加入到瞬时共态抑制电路4的输入端，通过第五限流电阻r3和第五稳压管v1加到pnp管v3的基极，控制pnp管v3的导通与截止；pnp管v3与半桥pmos管v14的导通与截止状态正好反向，即半桥pmos管v14导通时，pnp管v3截止；半桥pmos管v14截止时，该pnp管v3导通。即半桥pmos管v14导通时，pnp管v3因截止而不起作用；半桥pmos管v14截止时，第二pnp管v3因饱和导通使得npn管v11的集电极电位拉升到正电源电压vcc,从而使得半桥pmos管v14的栅极电位高于正电源电压vcc,且高出第二稳压管v9的稳压值，以抑制半桥pmos管v14处于截止状态时，因半桥nmos管v15导通之瞬间强迫半桥pmos管v14的瞬时导通，从而避免或抑制半桥电路的瞬时共态导通。

第二瞬时共态抑制电路5包括第六限流电阻r4、第六稳压管v2及第四三极管v4；第四三极管v4的基极与第六稳压管v2的阳极连接，第四三极管v4的发射极与负电源vee相连，第四三极管v4的集电极与第二电压自举电路3中的第二隔离二极管v8的阳极连接，第六稳压管v2的阴极经第六限流电阻r4与输入脉冲信号vin连接。

输入脉冲信号vin同时加入到瞬时共态抑制电路5的输入端，通过第六限流电阻r4和第六稳压管v2加到npn管v4的基极，控制npn管v4的导通与截止；npn管v4与半桥nmos管v15的导通与截止状态正好反向，即半桥nmos管v15导通时，npn管v4截止；半桥nmos管v15截止时，npn管v4导通。即半桥nmos管v15导通时，npn管v4因截止而不起作用；半桥nmos管v15截止时，npn管v4因饱和导通使得三极管v12的集电极电位拉低到负电源电压vee,从而使得半桥nmos管v15的栅极电位低于负电源电压vee，且低出第五稳压管v10的稳压值，以抑制半桥nmos管v15处于截止状态时，因半桥pmos管v14导通之瞬间强迫半桥nmos管v15的瞬时导通，从而避免或抑制半桥电路的瞬态共态导通。

半桥驱动电路6包括第一mos管v14、第二mos管v15、第四电容c4、第七电阻r7、第五电容c5及第八电阻r8；第一mos管v14的源极与正电源vcc连接，第一mos管v14的栅极与第一电压自举电路2连接，第一mos管v14的漏级与第二mos管v15的漏级连接，构成电路的输出端口，第二mos管v15的栅极与第二电压自举电路3连接，第二mos管v15的源极与负电源vee相连，第四电容c4与第七电阻r7串联后连接到正电源vcc与输出端口间，第五电容c5与第八电阻r8串联后连接到输出端口与负电源vee之间。

半桥驱动电路6的pmos管v14和nmos管v15为轮流导通，当pmos管v14导通时，nmos管v15截止，电路输出vout为高电平，其电压值近似为正电源电压vcc；当pmos管v14截止时，nmos管v15导通，电路输出vout为低电平，其电压值近似为负电源电压vee；第四电容c4和第七电阻r7、第五电容c5和第八电阻r8分别构成吸收网络，以吸收输出矩形信号的正、负过冲高频分量。

本发明的工作原理为：

死区时间设置电路中，第一限流电阻r1、第二限流电阻r2和第一电容c1构成的t型网络对输入脉冲信号vin的上升沿和下降沿进行调节，实现死区时间调节功能。npn管v11和pnp管v12构成推挽结构，双向稳压管v13的稳压值决定了推挽电路输入端（即v11和v12的基极）正向与反向阀值电压的大小，正、反向阀值电压大小决定了死区时间的初始值。死区时间的设置，避免了半桥pmos管v14和nmos管v15的稳态共态导通现象。

输入脉冲信号vin为高电平（即正电压，高于双向稳压管v13的稳压值）时，npn管v11饱和导通，致使第一电压自举电路导通、储能电容c2充电，储能电容c2两端的电压将建立到稳压管v9的稳压值vz9。因第一电压自举电路2导通，半桥pmos管的栅极与源极将产生足够的负压差，使pmos管的vgs（p）低于其阀值电压vth（p），与此同时，瞬时共态抑制电路5导通，npn管v4饱和导通致使pnp管v12的c极电位达到负电源电压vee，在第二储能电容c3的作用下，将半桥nmos管栅极电位自举到vee-vz10，使得半桥nmos管栅极与源极的压差为负，即vgs（n）=-vz10,不但使半桥nmos管完全截止，而且可抑制半桥pmos管导通的瞬间对半桥nmos管产生的瞬态导通，避免半桥pmos管和nmos管的瞬时共态导通现象。此时，电路输出vout为高电平，其电压值近似为正电源电压vcc。

输入脉冲信号vin为低电平（即负电压）时，pnp管v12饱和导通，致使第二电压自举电路3导通、第二储能电容c3充电，第二储能电容c3两端的电压将建立到稳压管v10的稳压值vz10。因第二电压自举电路3导通，半桥nmos管的栅极与源极将产生足够的正压差，使nmos管的vgs（n）高于其阀值电压vth（n），使nmos管导通。此时，npn管v11截止，第一电压自举电路无电流通过，与此同时，瞬时共态抑制电路导通，pnp管v3饱和导通致使npn管v11的c极电位达到正电源电压vcc，在第一储能电容c2的作用下，将半桥pmos管栅极电位抬高到vcc+vz9，使得半桥pmos管栅极与源极的压差为正，即vgs（p）=vz9,不但使半桥pmos管完全截止，而且可抑制半桥nmos管导通的瞬间对半桥pmos管产生的瞬态导通，避免半桥pmos管和nmos管的瞬时共态导通现象。此时，电路输出vout为低电平，其电压值近似为负电源电压vee。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。