最接地气的PCB设计指南

工程师，在设计电路项目时，第一要务，也是最终要务，是根据设计要求完成项目功能的开发；这些电路项目的功能虽因人而异，各不相同，但有一个似乎却是相同的，那就是项目的执行机构会涉及到电机。空气净化器项目，它需要实现的功能是去除PM2.5颗粒，净化室内的空气。实现净化室内的空气功能，工程师依靠的是电机驱动的小风扇，使空气能够自由流动地循环；碎纸机项目，它需要实现的功能是撕碎办公室弃用的纸张，以防公司机密外泄。实现撕碎弃用的纸张功能，工程师依靠的是电机驱动的旋转刀片，使进入碎纸机的纸张被撕碎；智能电动玩具车，它需要实现的功能是通过控制遥控，轻易地可以操作玩具车的倒车、前进、转弯、刹车。实现玩具车的倒车、前进、转弯与刹车功能，工程师依靠的是电机驱动的车轮，使智能电动玩具车能听从遥控器的指挥；电路项目这些电路项目的功能尽管千差万别，但有一个共同点，都包含电机的驱动。这是为什么呢？电机，作为可以将电能转换成机械能的动力装置，它是一种媒介，是一种桥梁；犹如相亲认识的两个恋人一样，媒婆就是他们的月老，就是他们的丘比特；工程师在研发设计电路，本质上是借助基础的电子元器件与芯片，运用基尔霍夫电路定律，控制与分配电路中电压和电流的走向。然而这仅仅是电路的设计，也仅仅是项目设计的一部分，并不能代表项目的全部。完整的项目，既包含电子电路部分，也同时包含机械结构部分。这就是存在电子工程师与结构工程师的原因，二者互辅互成，缺一不可。工程师现在是不是知道了原因，为什么电路项目的功能尽管千差万别，但都会有一个共同的执行机构---电机。因为电机是可以将电能转换成机械能的动力装置，是项目电路部分与机械部分之间联系的纽带，电路就是通过电机去实现控制机械。同样，机械也可以通过电机去实现控制电路，比如发电机。之所以讲述这些内容，是想带领工程师从项目的研发本质上去重新认识电机的重要性。电机在项目研发中如此重要，那在电路的设计上如何有效地控制电机就变得举足轻重，自然呈现不言而喻。工程师在具体的电路方案开发过程中，该怎么去做呢？该怎么去执行呢？芯片哥一向喜欢从问题的本质出发，去分析解决，找到原因，摸索出答案。在回答“如何在电路方案中控制电机”的问题之前，工程师需要对电机做个清楚的认识与了解。 电机，按照电流的属性，可分为交流电机与直流电机两大类。以直流电机为例，阐述说明如何在电路方案中控制电机。直流有刷电机、直流无刷电机与步进电机等这些都属于直流电机范畴直流电机，包含两个电源接线端子，称之为电机的正极与负极。在电机的两个接线端子处，分别接通电源的正极与负极，电机则因为形成电流回路而开始工作转动。电机的转速n =(U - Ia*Ra)/Ceφ，通过改变电压U的幅值，实现调速的目的，这就是直流电机简要的电路工作原理，言简意赅。直流电机了解完直流电机的电路工作原理后，工程师在项目方案设计中经常会选用，4个MOS管构建的H桥电路和专用的电机驱动芯片这两种方案。方案一：MOS管H桥电路方案MOS管H桥电路图所谓MOS管H桥电路，是指使用4个N型MOS管（也可以使用2个N型MOS管与2个P型MOS管），设计一个字母H形状的电路，4个MOS管的中间连接电机；4个MOS管中，Q1与Q2两个MOS管的漏极连接电源的VCC，Q3与Q4两个MOS管的源极连接电源的GND，Q1、Q2和Q3、Q4这四个MOS管的栅极连接外部的PWM1信号、PWM2信号和PWM3信号、PWM4信号；PWM1控制Q1 MOS管导通和PWM4控制Q4 MOS管导通，与此同时PWM2控制Q2 MOS管关闭和PWM3控制Q3 MOS管关闭，电机的两个接线端子电源极性为左正右负，电机正转；PWM2控制Q2 MOS管接通和PWM3控制Q3 MOS管接通，与此同时PWM1控制Q1 MOS管关闭和PWM4控制Q4 MOS管关闭，电机的两个接线端子电源极性为右正左负，电机反转；需要说明的是，MOS管的栅极控制信号PWM可能并不是直接来自单片机的输出，有可能是来自外围的Gate Driver栅极驱动芯片。方案2：专用电机驱动芯片方案芯片按照功能一般可以细分为专用集成芯片与通用集成芯片。专用集成芯片，是指具有某一特定专用功能的芯片，如74系列逻辑芯片，只能专用于处理信号的逻辑运算；通用集成芯片，是指芯片的功能不单一，没有被固定，具有多样化，最典型的案例如单片机，工程师可以利用单片机开发出千奇百怪的各种功能；电机驱动芯片，就属于专用集成芯片。芯片与半导体设计公司依据工程师用户的设计需求反馈，专门针对电机驱动的电路应用领域而开发设计的芯片，功能具有专一性，只面向电机驱动的方案设计。以L9110S电机驱动芯片为例说明L9110S电机驱动芯片引脚定义Pin 1引脚OA：电机驱动输出功能引脚A；Pin 2 & Pin 3引脚VCC：芯片的工作电源功能引脚；Pin 4引脚OB：电机驱动输出功能引脚B；Pin 5 & Pin 8引脚GND：芯片的参考地线功能引脚；Pin 6引脚IA：电机控制信号输入功能引脚A；Pin 7引脚IB：电机控制信号输入功能引脚B；具体的应用电路图专用电机驱动芯片电路图L9110S电机驱动芯片的应用电路图，较为简洁；芯片的Pin 1引脚OA与Pin 4引脚OB直接连接电机的两个接线端子，芯片的Pin 6引脚IA与Pin 7引脚IB直接连接到外部输入的PWM波信号，芯片的VCC与GND只需要连接到电源即可（滤波电容省略了）。输入电机驱动芯片的PWM信号是直接来自于单片机，无需其他功能芯片；至此，工程师可能会追问，同样为电机驱动的电路设计方案，MOS管的H桥电路方案与专用电机驱动芯片的方案，两者都能实现电机驱动的功能，那它们的区别在哪呢？在实际项目开发中它们的差异性在哪呢？它们的不同点是什么呢？它们的区别在于三点电路功率设计难度稳定可靠 01区别：电路功率电路功率是等于电压乘以电流，即P = U * I。MOS管的H桥电路方案，电机驱动的最大工作电压与最大工作电流取决于工程师采用MOS管的最大工作电压值与最大工作电流值.MOS管的工作电压范围覆盖面广，可以从低至20~30V，中至80~120V，一直高至1000V等等；同样地，MOS管的工作电流范围也覆盖面广，可以从最小的1A一直到200A等等；专用电机驱动芯片方案，电机驱动的最大工作电压取决于芯片的供电电源。芯片的工作电源，工程师都很清楚，常用的电源电压等级包含3.3V、5.0V、12V、24V与36V；芯片的工作电流同样也较小，如0.6A、1A、2A与5A；为什么MOS管的H桥电路方案承受的电路功率，要明显大于专用电机驱动芯片的方案呢？主要是因为专用电机驱动芯片属于集成式的半导体器件，散热能力较弱，驱动大电压大电流容易产生高温高热，造成芯片损坏。显然，MOS管H桥电路方案的工作功率要优于专用电机驱动芯片方案，适用的项目类型更多更全。02区别：设计难度设计难度，是指工程师完成电机驱动电路方案设计的难易度，存在电路研发难度和电路调试难度。从MOS管H桥电路图和专用电机驱动电路图对比中发现：专用电机驱动电路图相比较MOS管H桥电路图要简洁简单，表现在研发4个PWM信号的控制与处理要难于2个PWM信号的控制与处理；并且在电路调试方面，4个MOS管的参数选型测试要复杂于1个专用电机驱动芯片的参数测试。显然，专用电机驱动芯片的电路设计难度要优于MOS管H桥电路方案，对工程师的研发能力水平要求相对较低。03区别：稳定可靠稳定可靠，是指电路的方案抗外界的干扰能力，抗干扰能力越强，电路的方案稳定可靠性就越好。于工程师而言，作为常识，电路方案使用的电子元器件与芯片数量越少，集成度越高，方案出现的故障问题就会越少，稳定可靠性就会越高；反之，电路方案使用的电子元器件与芯片数量越多，种类越繁琐，方案出现的故障问题就会越多，稳定可靠性就会越低。MOS管H桥电路方案使用了至少4个电子元器件，专用电机驱动芯片方案只使用了1个芯片。显然，专用电机驱动方案稳定可靠性要高于MOS管H桥电路方案，更适合恶劣的项目环境。文末总结对于MOS管H桥电路方案与专用电机驱动芯片方案，它们的区别不仅包含电路功率、设计难度与可靠稳定这三点，还包含BOM元器件费用。由于每个项目的电路要求参差不齐，使用的具体MOS管型号或者专用电机驱动芯片型号均不确定，尤其是外围电路的元器件不能确定，故而没有加入BOM元器件费用这个因素的讨论。电机驱动的外围电路最后综合电路功率、设计难度与稳定可靠三个因素比较，在大功率的电机驱动项目，工程师优先考虑采用MOS管H桥电路方案；在工程师电路研发设计能力与电路调试经验不足时，优先考虑采用设计难度较低的专用电机驱动芯片方案；在恶劣的使用环境中的电机驱动项目，工程师优先考虑采用稳定可靠性更高的专用电机驱动芯片方案。声明： 声明：本文来源头条芯片哥。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立，推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有，如有侵权，联系删除。 来源：硬件笔记本