工程师熟需要知道的，5条电机驱动器设计准则

DC电机驱动电路的设计目标

主要考虑以下几点：

功能：电机是单向还是双向旋转？需不需要调速?对于单向电机驱动，只需使用大功率三极管或场效应管或继电器直接驱动电机。当电机需要双向旋转时，可使用由四个功率元件组成的H桥电路或双刀双掷继电器。若无需调速，只需使用继电器即可；但若需调速，可采用三极管、场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。

性能：对于PWM调速电机驱动电路主要具有以下性能指标：

输出电流和电压范围决定了电机能驱动多少功率。
高效率和高效率不仅意味着节省电源，还意味着减少驱动电路的加热。为了提高电路的效率，可以保证电源设备的开关工作状态，防止共态导通(H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路)入手。
对控制输入端的影响。功率电路应对其输入端进行良好的信号隔离，防止高压大电流进入主控制电路，可采用高输入阻抗或光电耦合器隔离。
对电源的影响。共态导通会导致电源电压瞬时下降，造成高频电源污染；大电流会导致地线电位浮动。
可靠性。电机驱动电路应尽可能，什么无源负载，电机驱动电路都应尽可能安全。

1. 输入与电平转换部分：

输入信号线DATA1脚是地线，其余是信号线。注意1脚对地连接2K欧的电阻。当驱动板和单片机分别供电时，该电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，该电阻可以防止大电流沿着连接到单片机主板的地线干扰。换句话说，将驱动板的地线与单片机的地线隔开，实现一点接地。

高速运放KF347(也可以用TL084)作用是将输入逻辑信号与指示灯和二极管相同的比较器.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。因此，在输入端增加了二极管，以防止电压溢出。输入端的两个电阻一个用于限流，另一个用于在输入悬空时将输入端拉到低电平。

不能用LM339或任何其他开路输出输出阻抗在1000欧元以上，压降较大，后三极管将无法停止

2. 栅极驱动部分：

后三极管和电阻、稳压管组成的电路进一步放大信号，驱动场效应管的栅极，利用场效应管本身的栅极电容(约1万pF)延迟，防止H桥上下臂的场效应管同时导通(共态导通)造成电源短路。

运输输出端为低电平(约1)V至2V,当不能完全实现零时，下三极管的截止日期和场效应管的导通。上三极管导通，场效应管截止日期，输出为高电平。当输出端为高电平时(约为VCC-(1V至2V),不能完全实现VCC)下三极管导通，场效应管截止。上三极管截止，场效应管导通，输出低电平。

以上分析是静态的，下面讨论了开关转换的动态过程：三极管的导电阻远小于2000欧元，因此三极管从截止到导电时间的电荷可以快速释放，场效应管可以快速停止。然而，从导通到截止日期，三极管需要一定的时间才能通过200欧元的电阻充电。因此，场效应管从导通到截止的速度比从截止到导通的速度快。如果同时发生两个三极管的开关动作，该电路可以先断开上下臂的场效应管，消除共态导通现象。

事实上，输出电压的变化需要一定的时间，在此期间，输出电压处于正负电源电压之间的中间值。此时，两个三极管同时引导，场效应管同时关闭。因此，实际电路比这种理想情况更安全。

12场效应管栅极V稳压二极管用于防止场效应管栅度压穿。一般场效管栅的耐压性为18V或20V，直接加上24V电压会击穿，所以稳压二极管不能用普通二极管代替，但可以用2000欧元的电阻代替，也可以得到12V的分压。

3.场效应管输出部分：

大功率场效应管在源极和泄漏极之间反向并联有二极管。当连接到H桥时，输出端与消除电压尖峰的四个二极管并联，因此没有外部二极管。输出端并联一个小电容器(out1和out2之间)有利于降低电机产生的尖峰电压，但在使用中PWM尖峰电流有副作用，容量不宜过大。这个电容可以在使用小功率电机时省略。若添加此电容，必须使用高耐压，普通瓷片电容可能会出现短路故障。

由电阻和发光二极管组成的输出端并联电路指示电机的旋转方向.

4.性能指标：

电源电压15~30 V,最大连续输出电流5A/每台电机，短时间(10秒)可达10秒A,PWM最高频率为30KHz(一般用1到10KHz)。电路板包含四个逻辑独立的功率放大单元，输出端两个连接到H桥，可直接由单片机控制。实现电机的双向旋转和调速。

5.PCB布线：

大电流线路要尽量短粗，尽量避免过孔。如果一定要过孔，就要把过孔做大。(>1mm)并在焊盘上做一圈小过孔，焊接时用焊锡填充，否则可能会烧坏。此外，如果使用稳压管，场效应管的电源和地面的电线应尽可能短，否则当电流较大时，电线上的压降可能会通过稳压管和三极管烧毁。在最初的设计中，NMOS管道的源极于地之间的0.15欧元的电阻用于检测电流，成为烧板的罪魁祸首。当然，用电阻代替稳压管是没有问题的。

电机驱动电路PCB 需要特殊的冷却技术来解决功耗问题。印刷电路板 (PCB) 基材（例如 FR-4 环氧玻璃)导热性差。相反，铜的导热性很好。因此，从热管理的角度来看，增加 PCB 铜面积是理想的方案。厚铜箔(如:2 盎司（68 微米厚))导热性优于薄铜箔。然而，使用厚铜箔的成本较高，很难实现精细的几何形状。

因此，使用 1 盎司（34 铜箔变得非常常见。外层通常使用 盎司到1 盎司铜箔。多层电路板内层使用的固体铜表面具有良好的散热性由于这些铜表面通常位于电路板层的中心，热量会聚集在电路板内部。 PCB 外铜面积，通过多个通孔连接或缝合到内层，有助于将热量转移到内外。

由于有线路和元件，双层 PCB 散热可能更困难。因此，尽可能多地提供固体铜表面，并与电机驱动器一起实现 IC 的良好热连接显得非常必要。在两个外层上都增加覆铜区，并将其与许多通孔连接在一起，有助于由走线和元件分割的各区域间散热。

a、走线宽度：越宽越好

由于电机驱动 IC 进出电流较大(在某些情况下超过 10 A），因此，应仔细考虑进出设备 PCB 走线宽度。走线越宽，电阻越低。必须调整走线尺寸，以使走线电阻不会消耗过多功率，避免导致走线升温。太小的走线其实可以作为电熔丝，并且容易烧断！

设计师通常使用它 IPC-2221 确定适当的接线宽度。该规范为显示铜横截面积的各种电流电平和允许温升提供了相应的图表，可转换为给定铜层厚度条件下的布线宽度。例如 1 在盎司铜层中承载 10 A 电流的布线需要略宽于 7 mm，以实现 10℃的温升。针对 1-A 电流，布线宽度只需要 0.3 mm。

鉴于此，10 A 似乎不可能通过微型电流 IC 板。

需要理解的是，IPC-2221 建议的线宽适用于等宽长距离 PCB 走线。如果使用较短的线。PCB 布线也可能通过更大的电流，不会产生任何不良影响。这是因为它又短又窄 PCB 接线电阻小，产生的任何热量都会被吸收到更宽的铜区，而这个区域起到散热器的作用。

加宽 PCB 走线，
以使 IC 板材能更好地处理连续电流。
参见图中的示例。尽管设备 IC 板只有 0.4 mm 宽，但必须承载高达 3 A 连续电流。因此，我们需要尽可能地加宽接线，并靠近设备。

狭窄部分产生的任何热量都会传递到较宽的铜区，因此狭窄线的温升可以忽略不计。

嵌入在 PCB 由于绝缘基板导热性差，内层布线不能像外层布线那样完全散热。因此，内层布线应设计为外层布线的两倍宽左右。

作为一般的指导方针，下表显示了电机驱动应用程序中的长线(超过约 2 cm）建议走线宽度。

如果空间允许，使用更宽的布线或覆铜区的布线可以最大限度地降低温升和压降。

b、热通孔：尽可能多地使用

通孔是小型的电镀孔，通常用于将一根走线从一层穿至另一层。虽然热通孔采用同样的方式制成，但却用于将热量从一层传至另一层。适当使用热通孔对于 PCB 散热很重要，但必须考虑几个工艺问题。

通孔有热阻，这意味着当热量流过通孔时，通孔之间会有一些温降，测量单位是℃/W。为了最大限度地降低热阻，提高通孔传热效率，应使用大通孔，孔内应尽可能多地含有铜。

大通孔(图为通孔横截面)应使用，孔内应尽可能多地含有铜面积，以尽量减少热阻。
尽管在 PCB 大通孔可用于开口区域，但通孔通常放置在开口区域 IC 直接从板区 IC 在封装过程中转移热量。在这种情况下，不能使用大通孔。这是因为大型电镀通孔可能会导致锡渗漏 IC 与 PCB 焊料向下流入通孔，导致焊点质量差。

有几种方法可以减少锡渗漏。其中之一是使用非常小的通孔来减少渗入孔中的焊料量。然而，小通孔的热阻较高，因此需要更多的通孔来实现相同的热性能。

另一种技术是在板的背面搭帐篷。这需要去除板背面焊接层中的间隙，使焊接层材料覆盖通孔。如果通孔较小，焊接层将堵塞通孔；因此，焊接材料无法渗透 PCB。

然而，这可能会产生另一个问题：焊剂聚集。通孔堵塞后，焊剂（焊膏的一种成分）可能会聚集在通孔中。有些焊剂配方可能是腐蚀性的，如果不去除，长时间会导致可靠性问题。然而，大多数现代无清洗焊剂工艺不具有腐蚀性，也不会导致问题。

请注意，热通孔不得使用热风焊盘，它们必须直接连接至铜区域。

热通孔应直接连接PCB 上铜区。

建议 PCB 设计师和表面安装技术 (SMT) 工艺工程师一起检查 PCB 选择合适的组装件于该组装件工艺的最佳通孔尺寸和结构，尤其是当热通孔置于 IC 板区域内时。

c、电容的布放

电机驱动器 IC 的元件布局指南与其他类型的电源 IC 类似。旁路电容器应尽可能地靠近器件电源引脚，而大容量电容器则置于其旁边。许多电机驱动器 IC 使用引导和/或电荷泵电容器，其同样应置于 IC 附近。

大多数信号直接在顶层路由。电源从大容量电容器路由至底层的旁路和电荷泵电容器，同时在各层过渡之处使用多个通孔。

TSSOP 和 QFN 封装的器件底层有一个较大的外露式 IC 板。该 IC 板连接至芯片的背面，用于去除器件中的热量。该 IC 板必须充分焊接至 PCB 上，以消耗功率。

为沉积该 IC 板的焊膏而使用的模具开口并不一定会在 IC 数据表中详细说明。通常，SMT 工艺工程师对模具上应沉积多少焊料以及模具应使用何种图案有其自己的规则。

如果使用类似于 IC 板大小的单个开口，则会沉积大量焊膏。这样可能会因焊料熔化时的表面张力而导致器件被抬起。另一个问题是焊料空洞（焊料区域内的空腔或缺口）。在回流焊过程中，焊剂的挥发性成分蒸发或沸腾时，就会出现焊料空洞。这可能会导致焊料被推出焊接点。

为解决这些问题，针对面积大于约 2 平方毫米的 IC 板，焊膏通常沉积在几个小的方形或圆形区域。将焊膏分成更小的区域可使焊剂的挥发性成分更易于逸散出焊膏，而不会使焊料移位。
QFN 封装的该焊料模有四个小开口，用于沉积中央IC 板上的焊膏。

SOT-23 和 SOIC 封装

标准的引线封装（如 SOIC 和 SOT-23 封装）通常用于低功率电机驱动器中。
为了充分提高引线封装的功耗能力，采用“倒装芯片引线框架”结构。在不使用接合线的情况下，使用铜凸点和焊料将芯片粘接至金属引线，从而可通过引线将热量从芯片传导至 PCB。

倒装芯片引线框架结构有助于充分提高引线封装的功耗能力。

通过将较大的铜区域连接至承载较大电流的引线，可优化热性能。在电机驱动器 IC 上，通常电源、接地和输出引脚均连接至铜区域。

如下图所示为“倒装芯片引线框架”SOIC 封装的典型 PCB 布局。引脚 2 为器件电源引脚。请注意，铜区域置于顶层器件的附近，同时几个热通孔将该区域连接至 PCB 背面的铜层。引脚 4 为接地引脚，并连接至表层的接地覆铜区。引脚 3（器件输出）也被路由至较大的铜区域。

倒装芯片 SOIC PCB 布局

请注意，SMT 板上没有热风焊盘；它们牢牢地连接至铜区域。这对实现良好的热性能至关重要。

QFN 和 TSSOP 封装

TSSOP 封装为长方形，并使用两排引脚。电机驱动器 IC 的 TSSOP 封装通常在封装底部带有一个较大的外露板，用于排除器件中的热量。

TSSOP 封装通常在底部带有一个较大的外露板，用于排除热量。

QFN 封装为无引线封装，在器件外缘周围带有板，器件底部中央还带有一个更大的板。这个更大的板用于吸收芯片中的热量。

为排除这些封装中的热量，外露板必须进行良好的焊接。外露板通常为接地电位，因此可以接入 PCB 接地层。

在理想情况下，热通孔直接位于板区域。在的 TSSOP 封装的示例中，采用了一个 18 通孔阵列，钻孔直径为 0.38 mm。该通孔阵列的计算热阻约为 7.7°C/W。

采用了一个 18 热通孔阵列的 TSSOP 封装 PCB 布局

通常，这些热通孔使用 0.4 mm 及更小的钻孔直径，以防止出现渗锡。如果 SMT 工艺要求使用更小的孔径，则应增加孔数，以尽可能保持较低的整体热阻。
除了位于板区域的通孔，IC 主体外部区域也设有热通孔。在 TSSOP 封装中，铜区域可延伸至封装末端之外，这为器件中的热量穿过顶部的铜层提供了另一种途径。

QFN 器件封装边缘四周的板避免在顶部使用铜层吸收热量。必须使用热通孔将热量驱散至内层或 PCB 的底层。

采用9个热通孔的 QFN 封装 PCB 布局

图中的 PCB 布局所示为一个小型的 QFN (4 × 4 mm) 器件。在外露板区域中，只容纳了九个热通孔。因此，该 PCB 的热性能不及 TSSOP 封装。

倒装芯片 QFN 封装

倒装芯片 QFN (FCQFN) 封装与常规的 QFN 封装类似，但其芯片采取倒装的方式直接连接至器件底部的板上，而不是使用接合线连接至封装板上。这些板可以置于芯片上的发热功率器件的反面，因此它们通常以长条状而不是小板状布置。

这些封装在芯片的表面采用了多排铜凸点粘接至引线框架。

FCQFN 封装在芯片的表面采用了多排铜凸点粘接至引线框架

小通孔可置于板区域内，类似于常规 QFN 封装。在带有电源和接地层的多层板上，通孔可直接将这些板连接至各层。在其他情况下，铜区域必须直接连接至板，以便将 IC 中的热量吸入较大的铜区域中。

下图器件具有较长的电源和接地板，以及三个输出口。请注意，该封装只有 4 × 4 mm 大小。

FCQFN封装IC的 PCB 布局
器件左侧的铜区域为功率输入口。这个较大的铜区域直接连接至器件的两个电源板。

三个输出板连接至器件右侧的铜区域。注意铜区域在退出板之后尽可能地扩展。这样可以充分将热量从板传递到环境空气中。

同时，注意器件右侧两个板中的数排小通孔。这些板均进行了接地，且 PCB 背面放置了一个实心接地层。这些通孔的直径为 0.46 mm，钻孔直径为 0.25 mm。通孔足够小，适合置于板区域内。

综上所述，为了使用电机驱动器 IC 实施成功的 PCB 设计，必须对 PCB 进行精心的布局。因此，本文提供了一些实用性的建议，以期望可以帮助 PCB 设计人员实现PCB板良好的电气和热性能。
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