了解电机驱动器外包PCB的设计生成标准

直流电机驱动电路PCB设计目标

在设计直流电机驱动电路时，主要考虑以下几点：

1、功能：电机是单向旋转还是两个方向旋转？ 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即可。 当电机需要双向旋转时，采用四块功率PCB元件组成的H桥电路或采用双刀双掷继电器。 如果不需要调速，用继电器即可； 但如果需要调速，可以采用三极管、场效应管等开关元件来实现PWM（脉冲宽度调制）调速。

2、性能：对于采用PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。

1.输出电流和电压范围，决定了电路能驱动电机的功率有多大。

2.效率，高效率不仅意味着省电，而且减少了驱动电路的发热。 要提高电路的效率，我们可以从保证功率器件的开关状态入手，防止共态导通（H桥或推挽电路中可能出现的一个问题是两个功率器件同时导通短路 电路的电源） 。

3.对控制输入的影响。 电源电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止高电压、大电流进入主控电路，可采用高输入阻抗或光耦进行隔离

4.对电源的影响。 共态导通会造成电源电压瞬时下降，造成高频电源污染； 大电流可能导致地线电位浮动。

5.可靠性。 无论增加何种控制信号和无源负载，电机驱动电路都应尽可能安全。

1、输入与电平转换：

输入信号线由DATA引出，1脚为地线，其余为信号线。 请注意，引脚 1 通过 2K 欧姆电阻接地。 当驱动板和单片机分别供电时，该电阻可以为信号电流返回提供通路。 当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流顺着线路流向单片机主板的地线造成干扰。 也就是说，相当于将驱动板的地线与单片机的地线分开，实现“一点接地”。

高速运放KF347（也可用TL084）为比较器，将输入的逻辑信号与来自指示灯和二极管的2.7V基准电压进行比较，转换成接近电源的方波信号 电源电压幅值。 KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。 因此在运算放大器的输入端加了一个二极管，防止电压范围溢出。 输入端的两个电阻，其中一个用于限流，另一个用于在输入悬空时将输入端拉至低电平。

不能用LM339或其他任何开路输出比较器代替运放，因为开路输出高电平状态的输出阻抗大于1千欧，压降大，后级 三极管不能截止。

2、电网驱动部分：

后级三极管、电阻和稳压管组成的电路将信号进一步放大，驱动场效应管的栅极，并利用场效应管本身的栅极电容（约1000pF）进行延时，防止同时导通（“共态导通”） ") 的 H 桥上臂和下臂上的 FET 引起电源短路。

当运放输出端为低电平（1V~2V左右，不能完全归零）时，后面的三极管截止，场效应管导通。 上三极管导通，场效应管截止，输出高电平。 当运放输出端为高电平（约VCC-（1V到2V），不能完全达到VCC）时，后面的三极管导通，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，下面讨论开关的动态过程：三极管的导通电阻远小于2千欧，所以当三极管从关断切换到导通时，场效应管栅极电容上的电荷可以 快速释放，FET 可以快速关断。 但是，当三极管从导通切换到截止时，MOSFET栅极需要一定的时间才能通过一个2kΩ的电阻进行充电。 因此，场效应管从导通到关断的转换速度比从关断到导通的转换速度快。 如果两个三极管同时发生开关动作，该电路可以使场效应管的上下臂先截止再导通，消除了共态导通现象。

事实上，运算放大器的输出电压发生变化需要一定的时间。 在此期间，运算放大器的输出电压处于正负电源电压的中间。 此时两个三极管同时导通，场效应管同时截止。 所以实际电路比这种理想情况更安全。

FET栅极的12V齐纳二极管用于防止FET栅极过压击穿。 普通场效应管栅极耐压为18V或20V，直接加24V电压会击穿。 所以稳压二极管不能用普通二极管代替，可以用2kΩ的电阻代替，同样可以获得12V的分压。

3、场效应管输出部分：

大功率场效应管内部的源极和漏极之间有反向并联的二极管。 当连接到H桥时，相当于输出端并联了四个用于消除电压尖峰的二极管，所以没有外接二极管。 在输出端并联一个小电容（在out1和out2之间）对降低电机产生的峰值电压有一定的好处，但使用PWM时有产生峰值电流的副作用，所以容量不宜太大 大的。 使用小功率电机时可以省略此电容。 如果加这个电容，必须使用耐压高的电容。 普通陶瓷贴片电容可能会出现击穿和短路故障。

输出端由电阻、LED、电容并联组成的电路指示电机的旋转方向

4、性能指标：

电源电压15~30V，最大持续输出电流5A/每台电机，短时间（10秒）可达10A，PWM频率最大可达30KHz（一般为1~10KHz）。 电路板包含四个逻辑上独立的功放单元，其输出端成对连接组成H桥，可由单片机直接控制。 实现电机的双向旋转和调速。

5、PCB设计外包代理涂装PCB布局布线：

大电流线路尽量短粗，尽量避免通过过孔。 如果一定要穿过过孔，把过孔做大一点（>1mm），在焊盘上做一圈小过孔，焊接时用焊锡填满，否则容易烧掉。 另外，如果使用稳压管，场效应管源极到电源和地的导体要尽量短而粗，否则电流大时，这一段的压降 正偏压稳压管和导通三极管可能会烧坏导体。 设计之初，在NMOS管的源极和地之间接了一个0.15欧姆的电阻来检测电流，成为了烧板的罪魁祸首。 当然，如果稳压管换成电阻就不存在这个问题了。

电机驱动电路的PCB需要采用特殊的散热技术来解决功耗问题。 印刷电路板 (PCB) 基板（如 FR-4 环氧玻璃）导热性差。 相反，铜具有优良的导热性。 因此，从热管理的角度来看，增加PCB中的铜面积是一种理想的解决方案。 厚铜箔（例如 2 盎司（68 微米厚））比薄铜箔具有更好的导热性。 然而，使用厚铜箔成本高且难以实现精细几何形状。 因此，通常使用 1 盎司（34 微米）的铜箔。 外层通常使用 ½ 盎司到 1 盎司的铜箔。 多层线路板内层采用实心铜面，散热性好。 但是，由于这些铜面通常位于电路板叠层的中央，因此热量会在电路板内部积聚。 增加PCB外层的铺铜面积，通过许多通孔将其连接或“缝合”到内层，有助于将热量传递到内层外部。

由于布线和元器件的存在，双层PCB的散热可能会比较困难。 因此，有必要提供尽可能多的实心铜表面，并与电机驱动器 IC 实现良好的热连接。 两个外层都增加了覆铜区，并与许多通孔相连，以帮助布线和元器件分隔的区域之间散热。

布线宽度：越宽越好

由于电机驱动IC的输入输出电流较大（部分情况下超过10A），输入输出器件的PCB布线宽度应慎重考虑。 布线越宽，电阻越低。 必须调整接线的大小，使接线电阻不会消耗太大的功率，以免加热接线。 太小的接线其实可以当电熔丝用，很容易烧坏！

设计人员通常使用 IPC-2221 来确定合适的布线宽度。 本规范提供了相应的图表，显示了各种电流水平下的铜截面积和允许的温升，在给定铜层厚度的情况下，可以将其转换为线宽。 例如，在一盎司铜层中承载10A电流的导线需要略宽于7mm才能实现10℃的温升。 对于1-A电流，布线宽度只需0.3mm。 由此看来，10A的电流似乎不可能通过微型IC板。