摘  要： 美国NS公司推出的面向中小型直流电机及步进电机的全桥功放集成电路LDM18245，只需外接两个电阻和两个电容，即可实现电机的功率驱动、电流控制及多种保护功能。详细介绍了该集成电路的工作原理及典型应用。

　　关键词： 电机驱动 PWM 功率放大器 功放集成电路 LMD18245

    随着集成电路制造技术的发展，集成功率放大器的性能不断提高。当前，出现了许多用于中小型直流电机及步进电机驱动的性能优良的集成电路产品。对于中小型直流电机及步进电机控制电路的设计人员来说，选用性能参数都比较合适的集成功率放大器，与采用分立元件设计的功放电路相比，不但能减小功放电路的体积，提高功放电路的整体性能;而且由于集成功放中设计了多种多样的保护电路，从而可以减少系统发生故障的可能性，提高电路的可靠性。例如，美国国家半导体公司(National Semiconductor Inc.)推出的DMOS全桥电机驱动器LMD18245，只需外接两个电阻和两个电容，即可实现电机的全桥驱动、数字电流控制、过流保护、过热保护、欠压保护、防止对管直通等功能，充分体现了集成功放电路外围电路简单、性能稳定可靠、控制功能全面的特点。

　　LMD18245是为中小型直流电机及两相步进电机设计的功率放大集成电路。NS公司在该种芯片的制造过程中应用了多种技术， 以达到在单个芯片上同时集成双极性逻辑电路、CMOS逻辑电路以及DMOS功率开关电路的目的，从而使芯片内部不仅包含了DMOS开关功率放大电路，还包含了直流电机和步进电机驱动及控制所需的所有电路模块，如四位D/A转换器、电机电流传感放大器、比较器、单稳电路、输入及控制逻辑、过流保护、欠压保护、过热保护等。在负载电流的测量上，针对在电机回路中串入传感电阻测量电机电流，将导致较大功率损耗的缺陷，NS公司采用了一种基本上无功率损耗的新型电流传感技术，使低成本下的无功率损耗电流测量成为可能。由于采用了固定切断时间的斩波放大器(Fixed Off-time Chopper)及内置四位D/A转换器，该芯片可以很容易完成电机电流的数字控制，实现步进电机的微步驱动。另外，LMD18245中的全DMOS H-桥功率开关低导通电阻特性，使其具有很高的功放效率。

1 主要性能参数及引脚定义

1.1 LMD18245的主要性能参数

　　· 工作温度范围: -40℃～+125℃

　　· 电机电源电压范围:+12V～+55V

　　· 最大逻辑电压:+12V

　　· 最大输出持续电流:3A

　　· 最大输出峰值电流:6A

　　· 最小输入脉冲宽度:2μs

· 电流传感器最大线性误差(0.5A～3A):±9%

1.2 LMD18245引脚定义

　　LMD18245采用15脚TO-220封装，引脚排列如图1所示。各引脚功能如下:

　　· OUT 1，OUT2： DMOS H-桥功放输出，接负载电机。

　　· COMP OUT：比较器输出。当电流传感器引脚CS OUT的电压超过D/A转换器给定电压时，比较器翻转，触发单稳电路工作，切断电机供电电路。

　　· RC： 单稳电路时间参数引脚。在该引脚与地之间连接一并联RC网络，可以将单稳脉冲的宽度设置为1.1RC秒。

　　· PGND： 电机电源地。

　　· M4，M3，M2，M1： D/A转换器的二进制数字输入，其中M4为最高位。

　　· V_CC： 电机电源端。

　　· BRAKE：急停引脚。当该引脚为逻辑高电平输入时，H-桥的两个输入开关迅速将负载短路，从而使负载电流迅速衰减到零，达到″紧急刹车″的效果。其真值表见表1。

　　· DIRECTION： 方向逻辑输入引脚，逻辑电平与负载方向的关系见表1。

　　· SGND： 逻辑电源地。

　　· CS OUT： 电流传感放大器输出，电流传感器的典型值为每安培负载电流输出250μA。

　　· DAC REF： D/A转换器参考电压输入，D/A转换器的输出电压为VDAC REF×D/16。

2  工作原理

2.1 LMD18245的工作过程

　　LMD18245的内部功能框图如图2所示，其控制方式采用固定关断时间斩波放大 (Fixed Off-time Chooper) 技术，工作过程如下:

　　上电后，在BRAKE信号无效，且保护逻辑无输出的情况下， 电机按DIRECTION信号的方向转动， 电流传感放大器采样电机电枢电流，经13脚的RC网络转换为电压值，与D/A转换输出的预定阀值相比较。如果当前的电流使转换的电压值小于阀值，则控制H-桥输入开关(Source Switch:S1或S2)及对角的输出开关(Sink Switch:S4或S3)保持导通， 电源电压全部加在负载上，使负载电流通过电源→S1→负载→S4→地或电源→S2→负载→S3→地的回路(图3a及图3b实线所示)，以指数规律增加。 接在CS OUT端的阻容网络上的电压值VCS也随之增长，当负载电流增加到或超过阀值电流时，VCS随后也达到阀值电压，滞后的时间与阻容网络的时间常数有关，从而使比较器翻转， 触发单稳电路翻转， 关断输出开关(S4或S3)。此时，电机电枢电流在电枢电感的作用下， 通过继流二极管构成的回路(图3a及图3b虚线所示)， 继续沿原方向流动， 其大小呈指数规律衰减并趋向于零。输出开关关断的时间，即固定关断时间

t_off-time由单稳电路的时间常数决定， 其计算公式为：

　　t_off-time=1.1RC

　　其中， R、C分别为引脚3所接的电阻和电容。

　　当关断时间到达的时候，则输出开关重新闭合，电枢电流又呈指数规律增长，重复前面的过程，形成电枢电流的固定关断时间斩波控制。

　　当DIRECTION信号改变时，系统进入方向转换阶段。首先，所有四个功率开关都被关断，电流通过续流二极管构成的回路(图3c或图3d所示的虚线)向零衰减;在电流接近零时，反向开关闭合，通过反向开关构成的回路(图3c或图3d所示的实线)电流迅速衰减到零，并随后反向增大到目标电流值。

2.2  LMD18245的电流传感原理

　　LMD18245中的DMOS功率开关由大量的晶体管单元阵行组成。LMD18245通过独特的低功率损耗的方法， 利用两个输入开关(Source Swatch)阵列中的几个单元，得到电机负载电流。LMD18245的电流传感器结构如图4所示。对于每一个输入DMOS开关，都有1X的传感器开关和4000X的功率开关同时工作，由于电流传感放大器的虚短效果，使传感器开关两端的电压与DMOS功率开关两端的电压相同，从而使传感器开关按1/4000负载电流的比例输出传感电流。每输出1A的负载电流，电流传感放大器就会输出250μA的传感电流。在传感电流的输出端与地之间加入并行阻容网络，一方面将该电流转化为电压信号，与D/A转换输出的阀值电压相比较，触发斩波过程;另一方面通过该低通滤波器可以将电流开关噪声的影响滤除。

　　电流传感电阻RS值的选定可以参考以下公式:

　　R_S=(V_{DAC REF}×D/16)/[(250×10^-6)×I_{LOAD MAX})]

　　其中，I_{LOAD MAX}为电机负载电流的最大设定值;RS为电流传感器输出电阻;V_{DAC REF}为D/A转换器的参考电压，最大值为12V，建议采用0～5V;D为D/A转换器的输入值，以M4为最高位，M1为最低位，D的取值范围为十进制0～15V，即RS的值应该使D的变化能够控制ILOAD在负载需要的范围内变化。

2.3 保护功能的工作原理及应用注意事项

　　LMD18245具有过流保护、过热保护、欠压保护等多种保护功能，使由该芯片构成的功放系统具有较高的安全性和可靠性。下面分别介绍各保护功能的工作原理及应用时应注意的事项。

　　过流保护实际是利用芯片内部的12A电流阀值开关实现的。如果芯片的两个输入开关中的任意一个的电流达到了12A的阀值，LMD18245的内部电路就将开关关闭，并迫使故障电流在大约3μs的时间内衰减到零。在此之后，芯片自动重新启动。应当注意的是:如果此时电路故障已经排除，自动启动后电路将迅速恢复到正常工作状态;但如果故障没有消除，电流仍然过大，则芯片将反复进入电流通断状态。反复开关如此大的电流，将在电源线上感应出破坏性的电压尖峰脉冲(Spike)，如果该脉冲的幅度超过芯片的最大承受电压(60V)，则有可能造成芯片永久性损坏。因此，芯片的Vcc端要求必须能可靠滤除电压尖峰脉冲，以保护芯片不被损坏。

　　在实际操作过程中，由于电机电流的跳变或换向经常出现，因此电源线上也经常会出现尖峰电压或浪涌电流。在电路实际设计中，常采用在芯片的电源端并联高频陶瓷滤波电容及大容量铝电解电容的方法消除尖峰脉冲及浪涌电流。通常陶瓷电容的容值设定为1μF左右;铝电解电容的大小设置为每安培负载电流100μF左右。另外，在布线时应注意:电容距Vcc的距离应在0.5英寸以内，电容的管脚引线应尽量短。

　　过热保护是利用芯片内部的结温传感器实现的。当结温超过155℃时，结温传感器将功率开关关闭，当结温下降到阀值以下时，芯片将自动重新启动。

　　欠压保护的工作过程为:当电源电压下降到大约5～8V的阀值以下时，内部电路将关闭功率开关;如果电压恢复正常，芯片将重新启动。

3 典型应用

3.1 驱动步进电机

　　图5为采用LMD18245的两相步进电机斩波功放应用电路。其固定斩波时间为:

　　电机的最大电流为0.95A，电流传感电阻阻值为:

　　步进电机的A、B两相各有一LMD18245控制，两芯片的方向控制端(DIRECTION)、电流控制端(M4～M1)、急停控制端(BRAKE)均与微控制器相连，从而使微控制器能够很方便地控制电机线圈的电流大小及方向，实现步进电机的整步控制、半步控制及细分微步控制等多种驱动方式。电源端并联的1μF陶瓷电容及100μF电解电容，可有效防止过压脉冲的冲击，防止芯片损坏。20kΩ的传感电阻既保证了线圈电流能达到满幅，使电机输出最大力矩，又防止了电流超过满幅电流而烧坏电机。

3.2  双极性输出方式驱动直流电机

　　H-桥结构的电机功放电路通常有双极性输出和单极性输出两种控制方式，各有各的特点。下面分别给出其驱动某种直流电机时的电路。

　　利用LMD18245实现直流电机的双极性输出的电路结构如图6所示，其固定斩波时间设定为:

　　由于电机的最大电流为150mA，电流传感电阻的阻值R_S为:

　　芯片的各控制端连接微控制器，与图5电路不同的是，芯片的DIRECTION端连接微控制器的PWM输出。通过改变PWM脉冲的占空比，可以改变电机的转速和转向。微控制器还可以通过M4～M1端改变电机的最大电流阀值，控制电机的力矩大小，从而方便地实现电机控制。但这种连接方式也有电机电流波动较大的缺点。

3.3 单极性输出方式驱动直流电机

　　采用单极性输出方式驱动直流电机的电路如图7所示，电路参数同上。在微控制器的控制下，电机的转速由PWM脉冲的占空比决定，方向由DIRECTION信号电平决定，该连接方式下电机电流波动小，但由于电机的电流阀值固定，无法通过软件调节。

　　利用NS公司的LMD18245全桥电机驱动器，我们已完成了多种机器人的电机驱动电路的设计。使用过程表明，采用该器件不仅可提高设计效率、缩短设计周期，而且可减小功放电路的体积。同时，长时间的实验操作表明，该芯片工作稳定可靠、性能优良，相信会对中小型直流和步进电机驱动电路设计人员有所帮助。

参考文献

1 韩壮志.基于DSP的新型灵巧手控制器设计. 硕士学位论文.北京航空航天大学， 1999

2 何永强， 新型灵巧手控制系统与触觉识别研究. 硕士学位论文. 北京航空航天大学， 1996

3 National Power ICs Databook. National Semiconductor Inc， 1995

4 秦继荣， 沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计.北京:机械工业出版社， 1993