CN110138194A - 一种桥式驱动电路控制方向换向防短路死区电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种桥式驱动电路控制方向换向防短路死区电路，属于电机驱动技术领域，解决换向时桥臂短路问题，电路包括死区时间设置模块、换向检测模块和PWM输出模块；死区时间设置模块用于对输入的控制方向信号进行死区时间延时，输出延时控制方向信号；换向检测模块用于对所述控制方向信号和延时控制方向信号的逻辑电平进行比较，输出换向标志信号；PWM输出模块用于判断换向标志信号是否有效，有效，则在死区时间内封锁PWM输出信号；无效，则将PWM信号正常输出。本发明产生控制方向换向死区，防止同一桥臂上下开关管交替开通关断时发生短路故障，并且具有死区时间精确可调，电路实现简单、可靠性高、价格低廉及体积较小的优点。

Description

一种桥式驱动电路控制方向换向防短路死区电路
技术领域
本发明涉及于电机驱动技术领域，尤其是一种桥式驱动电路控制方向换向防短路死区电路。
背景技术
全桥式驱动器可以实现正反向驱动控制，在电机控制、主动磁悬浮控制等领域广泛应用。常见的全桥式驱动电路有H桥驱动电路、三相全桥驱动电路等。在控制方向反向时，全桥式驱动电路的上下桥臂需要进行开通、关断转换，如果开通、关断的时间控制不好，存在上下桥臂短路的风险。尤其对于关断速度慢及关断电流拖尾现象严重的开关器件，为了防止桥臂短路“共短”烧毁驱动器，驱动电路防短路设计尤为重要。
现有的死区产生方法主要有程序延时法和充放电回路电阻差异法。其中，程序延时法依靠程序编程计数实现，需要有处理器及外围硬件支持，如DSP、ARM、单片机及可编程逻辑门阵列等，系统复杂，高质量等级的处理器芯片价格昂贵。充放电回路电阻差异法在充电回路和放电回路采用不同的限流电阻，使开通时间和关断时间产生差异，达到快关慢开的效果，以此产生死区。充放电回路电阻差异法每路开关器件的驱动电路均需增加死区功能电路，占用空间较大，且死区时间设置不精确。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种桥式驱动电路控制方向换向防短路死区电路，产生控制方向换向死区，防止桥臂短路“共短”烧毁驱动器。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种桥式驱动电路控制方向换向防短路死区电路，包括死区时间设置模块、换向检测模块和PWM输出模块；
所述死区时间设置模块，用于对输入的控制方向信号DIR_IN进行整形和死区时间延时，并与输入的参考电平V_REF进行比较，输出延时控制方向信号DIR_O；
所述换向检测模块，用于对所述控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平进行比较，输出换向标志信号PWM_EN；
所述PWM输出模块，用于判断换向标志信号PWM_EN是否有效，有效，则在死区时间内封锁PWM输出信号；无效，则将PWM信号正常输出。
进一步地，还包括参考电平设置模块，所述参考电平设置模块用于产生参考电平V_REF；所述参考电平V_REF与所述死区时间设置模块、换向检测模块和PWM输出模块中采用的逻辑门电路相匹配；参考电平V_REF＝(Vhigh+Vlow)/2；式中Vhigh为所述逻辑门电路的逻辑高电平电压值；Vlow为所述逻辑门电路的逻辑低电平电压值。
进一步地，所述参考电平设置模块包括基准电压芯片U2和参考电平调理电路；
所述基准电压芯片U2，用于输出电压基准源V_x；
所述参考电平调理电路，用于对输出的所述电压基准源V_x进行电压比例调理后，输出参考电平V_REF。
进一步地，所述参考电平调理电路包括两级串联的比例电路；其中，第一比例电路包括运放U1A、电阻R1和R2；第二比例电路包括运放U1B、R3和R4；
两级比例电路输出的参考电平V_REF＝(R1*R4*V_x)/(R2*R3)；通过调整电阻R1、R2、R3和R4的电阻值，得到与所采用的逻辑门电路相匹配的参考电平V_REF。
进一步地，死区时间设置模块包括整形电路、延时电路、比较输出电路；
所述整形电路，用于对输入的控制方向信号DIR_IN进行整形；
所述延时电路，用于对整形后的控制方向信号DIR_IN进行固定延时后输出到所述比较输出电路，所述固定延时的时长为死区时间；
所述比较输出电路，用于将固定延时后的方向控制信号DIR_IN与参考电平V_REF进行比较，输出边沿跳变陡峭的延时控制方向信号DIR_O。
进一步地，所述延时电路为RC延时电路，延时时间为T＝a×R×C；所述a为死区时间参数，R为延时电路中的充放电限流电阻的电阻值，C为延时电路中的充放电储能电容的电容值。
进一步地，若驱动电路PWM高电平使能有效，当输入换向检测模块的控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相同时，换向检测模块输出的PWM_EN为逻辑高电平；当控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相异时，输出PWM_EN为逻辑低电平。
进一步地，当输入PWM输出模块的所述换向标志信号PWM_EN为高电平时，则判断为非死区时间，将输入的PWM输入信号PWM_IN输出到驱动电路使驱动电路的开关管导通；当所述换向标志信号PWM_EN为低电平时，则判断为死区时间，所述PWM输出模块输出低电平到驱动电路使驱动电路的开关管截止。
进一步地，若驱动电路PWM低电平使能有效，当输入所述换向检测模块的控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相异时，输出的PWM_EN为逻辑高电平；当控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相同时，输出PWM_EN为逻辑低电平。
进一步地，当输入PWM输出模块的所述换向标志信号PWM_EN为低电平时，则判断为非死区时间，将输入的PWM输入信号PWM_IN输出到驱动电路使驱动电路的开关管导通；当所述换向标志信号PWM_EN为高电平时，则判断为死区时间，所述PWM输出模块输出高电平到驱动电路使驱动电路的开关管截止。
本发明有益效果如下：
本发明通过检测方向控制信号的换向时刻，在一定时间内封锁PWM控制信号，以此产生控制方向换向死区，防止同一桥臂上下开关管交替开通关断时发生短路故障。
本发明由基本的逻辑门、比较器、参考电平及电阻电容等低价值硬件电路实现，可靠性高、价格低廉，死区时间精确可调，且仅需在控制方向信号端增加一路本功能电路即可，占用体积较小。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本实施例中的桥式驱动电路控制方向换向防短路死区电路结构框图；
图2为本实施例中的参考电平设置模块原理图；
图3为本实施例中的死区时间设置模块原理图；
图4为本实施例中的控制方向换向检测模块和PWM输出模块实现方式一原理图；
图5为本实施例中的控制方向换向检测模块和PWM输出模块实现方式二原理图；
图6为本实施例中的信号接口模块的信号输入接口原理图；
图7为本实施例中的信号接口模块的信号输出接口原理图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本实施例公开了一种桥式驱动电路控制方向换向防短路死区电路，如图1所述，包括死区时间设置模块2、换向检测模块3和PWM输出模块4；
所述死区时间设置模块2，用于对输入的控制方向信号DIR_IN进行整形和死区时间延时，并与输入的参考电平V_REF进行比较，输出延时控制方向信号DIR_O；
需要说明的是，所述控制方向信号DIR_IN为外部输入信号，用于控制电机的旋转方向。
所述换向检测模块3，用于对所述控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平进行比较，输出换向标志信号PWM_EN；
所述PWM输出模块4，用于判断换向标志信号PWM_EN是否有效，有效，则在死区时间内封锁PWM输出信号；无效，则PWM信号正常输出。
还包括参考电平设置模块1，所述参考电平设置模块1用于产生参考电平V_REF；所述参考电平V_REF与所述死区时间设置模块、换向检测模块和PWM输出模块中采用的逻辑门电路相匹配；参考电平V_REF＝(Vhigh+Vlow)/2；式中Vhigh为所述逻辑门电路的逻辑高电平电压值；Vlow为所述逻辑门电路的逻辑低电平电压值。
优选的，如图2所示，所述参考电平设置模块1包括基准电压芯片U2和参考电平调理电路；
所述基准电压芯片U2，用于输出电压基准源V_x；
所述参考电平调理电路，通过对输出的电压基准源V_x进行电压比例调理输出参考电平V_REF。
具体的，所述参考电平调理电路包括两级串联的比例电路；其中，第一比例电路包括运放U1A、电阻R1和R2；第二比例电路包括运放U1B、R3和R4；
两级比例电路输出的参考电平V_REF＝(R1*R4*V_x)/(R2*R3)；通过调整电阻R1、R2、R3和R4的电阻值，得到与所采用的逻辑门电路相匹配的参考电平V_REF。
可选的，本实施例采用74/54系列TTL电平数字逻辑电路，Vhigh和Vlow分别取值3.7V和0V；所述基准电压芯片U2选用REF19x系列的REF192芯片，所述U2的2脚和3脚连接电源+5V；在电源+5V和地之间连接滤波电容C2，4脚接地，输出脚6脚与地之间连接滤波电容C3，所述V_x约为2.5V；所述两级串联的比例电路的电连接方法为，电阻R2连接在运放U1A的负输入端与基准电压芯片U2输出脚6脚之间，电阻R1连接在运放U1A的负输入端与运放U1A的输出端之间；运放U1A的正输入端接地；电阻R3间接在运放U1B的负输入端与运放U1A的输出端之间，电阻R4连接在运放U1B的负输入端与运放U1B的输出端之间；运放U1B的正输入端接地；运放U1B的输出端输出考电平V_REF；
优选的，取R1＝R4＝3.01K，R2＝R3＝3.5K，V_x≈2.5V，
根据公式V_REF＝(R1*R4*V_x)/(R2*R3)，得V_REF≈1.85V。
具体的，死区时间设置模块2包括整形电路、延时电路、比较输出电路；
所述整形电路，用于对输入的控制方向信号DIR_IN进行信号整形；
所述延时电路对整形后的控制方向信号DIR_IN进行固定延时后输出到所述比较输出电路，所述固定延时的时长为死区时间；
所述比较输出电路，用于将固定延时后的方向控制信号DIR_IN与参考电平V_REF进行比较，输出边沿跳变陡峭的延时控制方向信号DIR_O。
具体的，如图3所示，所述整形电路为施密特整形电路U4A，U4A的1脚输入控制方向信号DIR_IN，2脚输出经过整形去噪声后的控制方向信号DIR_IN；通过整形电路，提升信号跳变边沿陡峭度，并将信号高低逻辑电平转换为所采用的逻辑门电路的逻辑电平。
所述延时电路为电阻R和C组成的RC延时电路，R为延时电路中的充放电限流电阻，C为延时电路中的充放电储能电容；RC充放电延时电路对经施密特整形后的控制方向信号DIR_IN做延时处理，延时时间为T＝a×R×C；所述a为死区时间参数，R为延时电路中的充放电限流电阻的电阻值，C为延时电路中的充放电储能电容的电容值。
优选的，在本实施例中a＝0.693，R＝1K，C＝0.1uF，则死区时间为T＝69.3微秒。
所述比较输出电路U3采用集成芯片LM193，其中，U3的3脚经过电阻R8接入参考电平V_REF，U3的2脚经过电阻R6与RC延时电路的电阻R和电容C的连接点连接，接入延时后的控制方向信号DIR_IN；
U3的1脚输出延时控制方向信号DIR_O；并且U3的1脚通过上拉电阻R5与+5V电源连接，电源脚8脚连接+5V电源，并通过滤波电容C5与地连接；4脚接地。
当电容C上的充电电压高于参考电平V_REF时，所述比较输出电路输出的延时控制方向信号DIR_O为高电平，否则，DIR_O为低电平。
本实施例给出了在驱动电路PWM高电平使能有效和低电平使能有效两种情况下，换向检测模块和PWM输出模块的两种具体实现方式
实现方式一：在驱动电路PWM高电平使能有效时，换向检测模块3比较输入的控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平；当控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相同时，输出的换向标志信号PWM_EN为逻辑高电平；当控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相异时，输出换向标志信号PWM_EN为逻辑低电平；
在PWM输出模块4中，当输入的换向标志信号PWM_EN为高电平时，判断为无效，即为非死区时间，控制方向未发生换向，无需死区保护；当PWM_EN为低电平时，判断为有效，即为死区时间，控制方向发生换向，需要死区保护。
即，当输入PWM输出模块4的换向标志信号PWM_EN为高电平时，则判断为非死区时间，将输入的PWM输入信号PWM_IN输出到驱动电路使驱动电路的开关管导通；当所述换向标志信号PWM_EN为低电平时，则判断为死区时间，所述PWM输出模块输出低电平到驱动电路使驱动电路的开关管截止。
具体的，如图4所示，所示换向检测模块3包括异或逻辑电路U5A、施密特反向电路U4B和电阻R7；所述异或逻辑电路U5A的输入脚1脚接入延时控制方向信号DIR_O；输入脚2脚接入控制方向信号DIR_IN；输出脚3脚连接施密特反向电路U4B的输入脚3脚，施密特反向电路U4B的输出脚4脚，输出换向标志信号PWM_EN；电阻R7作为电平上拉电阻，连接在+5V电源与异或逻辑电路U5A输出脚3脚之间。PWM输出模块4包括与逻辑电路U6A及相关配置电路，与逻辑电路U6A两个输入脚分别输入换向标志信号PWM_EN和PWM输入信号PWM_IN，与逻辑电路U6A的输出脚输出PWM_O到驱动电路。
实现方式二：在驱动电路PWM低电平使能有效时，换向检测模块3比较输入的控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平；当控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相异时，输出的PWM_EN为逻辑高电平；当控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相同时，输出PWM_EN为逻辑低电平。
在PWM输出模块4中，当输入的换向标志信号PWM_EN为低电平时，判断为无效，即为非死区时间，控制方向未发生换向，无需死区保护；当PWM_EN为高电平时，判断为有效，即为死区时间，控制方向发生换向，需要死区保护。
即，当输入PWM输出模块4的所述换向标志信号PWM_EN为低电平时，则判断为非死区时间，将输入的PWM输入信号PWM_IN输出到驱动电路使驱动电路的开关管导通；当所述换向标志信号PWM_EN为高电平时，则判断为死区时间，所述PWM输出模块输出高电平到驱动电路使驱动电路的开关管截止。
具体的，如图5所示，所示换向检测模块3包括异或逻辑电路U7A和电阻R9；所述异或逻辑电路U5A的输入脚1脚接入延时控制方向信号DIR_O；输入脚2脚接入控制方向信号DIR_IN；输出脚3脚输出换向标志信号PWM_EN；电阻R9作为电平上拉电阻，连接在+5V电源与异或逻辑电路U5A输出脚3脚之间。PWM输出模块4包括或逻辑电路U8A及相关配置电路，或逻辑电路U8A两个输入脚分别输入换向标志信号PWM_EN和PWM输入信号PWM_IN，或逻辑电路U8A的输出脚输出PWM_O到驱动电路。
本实施例还包括信号接口模块5；信号接口模块由信号输入接口和信号输出接口组成，如图6所示，信号输入接口包含信号电源(如+5V，-5V)、信号电源地(GND)、控制方向信号DIR_IN和PWM输入信号PWM_IN；如图7所示，信号输出接口包含信号电源(如+5V，-5V)、信号电源地(GND)、延时后的控制方向信号DIR_O和PWM输出信号PWM_O。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥式驱动电路控制方向换向防短路死区电路，其特征在于，包括死区时间设置模块、换向检测模块和PWM输出模块；
所述死区时间设置模块，用于对输入的控制方向信号DIR_IN进行整形和死区时间延时，并与输入的参考电平V_REF进行比较，输出延时控制方向信号DIR_O；
所述换向检测模块，用于对所述控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平进行比较，输出换向标志信号PWM_EN；
所述PWM输出模块，用于判断换向标志信号PWM_EN是否有效，有效，则在死区时间内封锁PWM输出信号；无效，则将PWM信号正常输出。
2.根据权利要求1所述的换向防短路死区电路，其特征在于，还包括参考电平设置模块，所述参考电平设置模块用于产生参考电平V_REF；所述参考电平V_REF与所述死区时间设置模块、换向检测模块和PWM输出模块中采用的逻辑门电路相匹配；参考电平V_REF＝(Vhigh+Vlow)/2；式中Vhigh为所述逻辑门电路的逻辑高电平电压值；Vlow为所述逻辑门电路的逻辑低电平电压值。
3.根据权利要求2所述的换向防短路死区电路，其特征在于，所述参考电平设置模块包括基准电压芯片U2和参考电平调理电路；
所述基准电压芯片U2，用于输出电压基准源V_x；
所述参考电平调理电路，用于对输出的所述电压基准源V_x进行电压比例调理后，输出参考电平V_REF。
4.根据权利要求3所述的换向防短路死区电路，其特征在于，所述参考电平调理电路包括两级串联的比例电路；其中，第一比例电路包括运放U1A、电阻R1和R2；第二比例电路包括运放U1B、R3和R4；
两级比例电路输出的参考电平V_REF＝(R1*R4*V_x)/(R2*R3)；通过调整电阻R1、R2、R3和R4的电阻值，得到与所采用的逻辑门电路相匹配的参考电平V_REF。
5.根据权利要求1-4任一所述的换向防短路死区电路，其特征在于，死区时间设置模块包括整形电路、延时电路、比较输出电路；
所述整形电路，用于对输入的控制方向信号DIR_IN进行整形；
所述延时电路，用于对整形后的控制方向信号DIR_IN进行固定延时后输出到所述比较输出电路，所述固定延时的时长为死区时间；
所述比较输出电路，用于将固定延时后的方向控制信号DIR_IN与参考电平V_REF进行比较，输出边沿跳变陡峭的延时控制方向信号DIR_O。
6.根据权利要求5所述的换向防短路死区电路，其特征在于，所述延时电路为RC延时电路，延时时间为T＝a×R×C；所述a为死区时间参数，R为延时电路中的充放电限流电阻的电阻值，C为延时电路中的充放电储能电容的电容值。
7.根据权利要求5所述的换向防短路死区电路，其特征在于，
若驱动电路PWM高电平使能有效，当输入换向检测模块的控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相同时，换向检测模块输出的PWM_EN为逻辑高电平；当控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相异时，输出PWM_EN为逻辑低电平。
8.根据权利要求7所述的换向防短路死区电路，其特征在于，当输入PWM输出模块的所述换向标志信号PWM_EN为高电平时，则判断为非死区时间，将输入的PWM输入信号PWM_IN输出到驱动电路使驱动电路的开关管导通；当所述换向标志信号PWM_EN为低电平时，则判断为死区时间，所述PWM输出模块输出低电平到驱动电路使驱动电路的开关管截止。
9.根据权利要求5所述的换向防短路死区电路，其特征在于，若驱动电路PWM低电平使能有效，当输入所述换向检测模块的控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相异时，输出的PWM_EN为逻辑高电平；当控制方向信号DIR_IN和延时控制方向信号DIR_O的逻辑电平相同时，输出PWM_EN为逻辑低电平。
10.根据权利要求9所述的换向防短路死区电路，其特征在于，当输入PWM输出模块的所述换向标志信号PWM_EN为低电平时，则判断为非死区时间，将输入的PWM输入信号PWM_IN输出到驱动电路使驱动电路的开关管导通；当所述换向标志信号PWM_EN为高电平时，则判断为死区时间，所述PWM输出模块输出高电平到驱动电路使驱动电路的开关管截止。
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