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摘要
为了提高新一代汽车的舒适性和安全性，在汽车中使用了不少马达。这些马达是用来控制雨刮器、天窗、车门锁、车窗的打开和关闭、发动机的油门、暖气通风和空调系统以及自动剎车控制等等。在前面列举的各种应用中，有很多工业装置使用了H型桥式电路：例如机器人、钻床以及各种需要控制马达的设备。由于出现了新的封装技术和的整合型电路芯片，现在可以把直流马达的驱动电路全部整合起来。本文介绍使用意法半导体公司（STMicroelectronics）提供的整合型组件来驱动直流马达，并且讨论了解决这些成组件在应用中出现的一些问题的方法。
一、引言
在最近几年中，在一辆汽车中使用的马达数量大量地增加，它们用于雨刷、天窗、车门锁、车窗的开和关、发动机油门的控制、暖气通风和空调、自动剎车控制等等。
上面讲到的应用中有许多使用了直流马达，而控制直流马达的方法基本上有两种：单极性驱动和双极性（双向）驱动。
在单极性驱动的情况下，电池电压加在马达上的电压只有一个极性。这就是说，把一颗开关和马达串联起来，用它控制这个执行机构。开关可以接在高压，也可以接在低压。如果开关是接在高压，就需要使用充电泵；把开关接在低压就比较容易实现。在这种应用中，自然是选择把开关串联在低压。由于这种单极性电路本身的特点，不能监控马达的电流（力矩），没有办法控制马达的施转方向。
在使用双极性控制的情况下，往往是使用H型桥式电路（图1）。桥式电路需要使用四颗开关：在电池和负载之间有两颗开关；在负载与系统地之间有两颗开关。由于这个电路使用了四颗颗开关，电流可以沿两个方向流动，负载两端的电压以及流过负载的电流的极性可以是正的，也可以是负的。
二、意法半导体公司的H型桥式电路
意法半导体公司研制了一种崭新的H型桥式电路用于控制大电流直流马达。这种组件是装在新的MultiPowerSO-30 封装中（图2），其中分成三个区域，外面露出三个金属焊盘。该组件的尺寸为16 x 17.2 x 2 mm。这种封装是专门为汽车这种恶劣的环境而设计的。由于裸芯片上的焊盘是露在外面，改善了散热性能。而且，在机械方面是设计成对称的，便于电路板的制造。
Fig. 2: Internal view of the device
这个组件基本上是由以下三部分组成：高压驱动电路，包括使用VIPower技术制造的场效晶体管以及所有的逻辑电路；两个不同的低压开关，它们是用PowerMESH技术制造的场效晶体管。
VNH2SP30和VNH3SP30两种组件属于这种新一代的H型桥式电路。组件内部有保护电路，在出现负载开路和负载短路、内部结点温度过高、电压过高或者电压过低这些常见问题时，内部的保护电路和诊断反馈电路便起作用，因而不会损坏组件。输入信号直接连接到外面的微处理器上，可以选择马达的转动方向和控制状态，并且监测马达中的电流。
图3是该组件的架构图。由于马达属于电感性负载，每颗开关都需要反向并联一颗反驰二极管，当组件工作在关断阶段时，为电流提供一个通路，从而避免出现电压尖脉冲。
这些H型桥式电路的主要性能和特点如下：
导通电阻RDS(on) ：
VNH2SP30的H桥两个通路的导通电阻均为17m （高压＋低压）。
VNH3SP30的H桥两个通路的导通电阻均为45m （高压＋低压）。
脉冲宽度调制（PWM）：H型桥式电路的负载两端上的平均输出电压由脉动宽度调制电路来控制。对于VNH3SP30，组件的工作频率高达10KHz；对于VNH2SP30，组件的工作频率高达20KHz 。
电流过载保护：30A。
敏感电流的方法（仅VNH2SP30具有这项功能）：镜像电流，相对于流过负载的电流的比例系数是K。这个电流是用于监测马达的状态。
组件中的逻辑电路检测是否出现短路到VCC、对地短路，或者负载两端是否出现短路。它比较低压开关上面的电压降Vds与内部的一个固定电压之间的差别，从而检测是否存在短路。
温度过高保护：如果组件在印刷电路板上没有足够的空间进行冷却，或者组件过载，它们的温度会升高。当内部的结温上升到150 ℃（最低温度）时，热保护功能便立即把内部组件切断。当结温下降大约15℃时，便回到正常工作状态。
电压过高、电压过低： 当电压超出一定范围时，内部的电路便把组件切断。对于VNH2SP30，当电压在5V,,,16V这个范围以外，对于VNH3SP30，当电压在5.5V,,,36V这个范围之外时内部电路把组件切断。
H型桥式电路同一侧两颗开关的同时导通保护： 参看图3，用内部的两个HSD电路来防止H型桥式电路中同一侧的两颗开关出现同时导通的现象。
Fig. 3: VNH2SP30 Block Diagram
不存在穿通的问题： 这项保护功能是与桥式电路常见的动态过程有关。参看图1。设想HS1和LS2这两颗开关处于导通状态。一旦外面的电路让这两颗开关进入关闭状态，让另外两颗开关HS2和LS1进入导通状态，也就是原先是HS1和LS2这两颗开关导通变成了 HS2和LS1这两颗开关导通，从而改变马达的转动方向。
一旦LS1进入导通状态，便产生一个dv/dt，这个变化会通过高压的电容Cgd耦合过去。在这种情况下，与dv/dt成正比的电流便会流过高压场效晶体管HS1栅源之间的电容器，对它充电，使得场效晶体管HS1回到导通状态。于是产生一个电流，它没有经过负载，而是直接从电池流到地，它不会受到马达的限制，对于组件来讲是很危险的。
VNHxSP30系列组件不会出现这种现象，这是因为对栅极电荷进行了优化，并且在内部电路中引入了适当的停止动作时间。为了进行正常的正转、反转及制动，外面的微处理器可以迫使桥式电路的输入信号按表1中的真值表运作（OUTA 是左半桥的中点，而OUTB 是右半桥的中点）。
信号EN用于确定桥路中那个臂导通。状态IN = 1表示与这个臂有关的HS开关处于导通状态，而 LS开关是处于关断状态（在IN=0 时，开关HS 处于关断状态，而开关LS处于导通状态）。不论是哪种情形，PWM信号为逻辑低电平时将把低压开关切断。
当PWM 信号上升为逻辑电位时，开关LS1 或者LS2 又开通。这取决于输入的状态。一旦出现故障，在内部把信号EN拉到低电平。可能出现的故障有以下两种：
 功率输出与地短路（在开关HS上的内部过温传感器检测温度升高的数值，它迫使有故障的臂处于逻辑低电平）。
 过热（即使不是处在制动状态，内部温度仍上升，内部的热保护电路动作，它的工作过程与前述相同）。
对信号EN进行监测便可以得到有关功率桥式电路工作状态的信息。不论是哪种情况，当检测到故障时，桥式电路中有故障的臂便关断并维持关断状态。输入信号必须再次从低电平上升到高电平，才能让它导通，相应地产生输出信号。
如果在H型橋式電路上加上極性為負的信號時（若此電壓高於1.5 V），反馳二極體成為正向偏置（圖4）。這表示在橋式電路中流過的電流很大，不受任何限制，它有可能損壞原來的二極體，而且會損壞功率開關，這是很明顯的。為了保護元件，可以在它外面採用保護措施。圖5是幾種可以採用的保護方案，各個方案各有其優點和缺點。
方案a：保險絲 + 二極體。當電池接反了的時候，接在電池正電壓端與地之間的二極體（圖5a）把內部的二極體旁路，迫使電流從保險絲上流過。當保險絲熔斷時，加在電路上的電源便切斷。這個方法很容易實現，費用也很低，但是每次把電池接反之後，都要更換保險絲。
方案b：在正電源上串聯一顆蕭特基二極體如圖5b所示。當電池的極性接反了的時候，這顆蕭特基二極體避免電流進入橋式電路。
這個方案很容易實現，費用屬於中等。對於工作在電流很大的橋式電路，在蕭特基二極體上的電壓降落可能很大。
方案c：在該元件與地之間接一顆導通電阻RDS(on) 很小的N型通道場效電晶體。H型橋式電路是經過場效電晶體的Vds接到地上去，而這顆場效電晶體的柵極是接到電池上，因而總處於導通狀態。如果電池極性反了，N型構道切斷，沒有電流流到橋式電路上去。為了保護場效電晶體不會因為來自電池的大脈衝而損壞，可以插入一顆電阻器和一顆背靠背串聯的二極體。採用這個方案時，在這顆場效電晶體上面有一個電壓降落，但是它只保護一個元件。
方案d：在供電電源與元件之間串聯一顆導通電阻RDS(on)很小的P型通道場效電晶體（圖5d）。H型橋式電路通過P通道埸效電晶體的Vds接到電源上。和前一方案一樣，當橋式電路正常工作時，場效電晶體總是處在導通狀態。一旦電池極性接反了，P型通道場效電晶體便切斷，在橋式電路中便沒有電流流過。採用這個方案時，在這顆場效電晶體上面有一個電壓降落，但是它保護接到Vcc電源線上的所有元件。這方案的成本比起用N型通道場效電晶體的方案要高一些。由於在供電電源端有一顆開關，可以使用N通道場效電晶體。在這種情況下需要另外用一顆充電泵來驅動場效管開關。
四、使用整合型H型橋式電路的優點
前面我們介紹了整合型的H型橋式電路，它裡面有控制器以及四顆導通電阻RDS(on)很低的場效電晶體開關。這種元件是專門為需要很大電流的直流馬達的控制而設計的。
這種元件有正轉、反轉和制動三種工作方式。VNHx元件具有保護功能，能夠防止電壓過高或過低、電流過大、溫度過高、橋式電路同一側的兩顆關同時導通、穿通、短路到地、短路到電源Vcc等問題而造成損壞。它還有一點是很有意義的，這就是它所使用的封裝。在前面講到過，這種新的元件是採用 MultiPowerSO-30 封裝（圖.6）。
Fig. 6: MultiPowerSO30
封裝技術的發展方向是採用表面黏著封裝。對於大功率應用也是如此。事實上，由於系統要求小型化，因而需要提高矽晶片面積與封裝尺寸的比值，同時降低它的厚度。
壓焊線技術也向著金、鋁、銅混合使用的方向演變。採用金、鋁、銅混合使用的技術時，在大功率的情況下，對脈衝電流和直流電流的限制不復存在。
此外，使用單片系統和單封裝系統可以大量地減少印刷電路板上的連接走線，信號線和電源線兩者都包括在內。
特別是，由於減少了電源的連接線，大量地減少了電源走線電阻所引起功率損耗，並且減少了寄生效應。分佈電感這種寄生效應會引起電磁干擾方面的問題。所有這些問題都與接地反射有關。
減少晶片之間的連接線，這不僅簡化了設計，也降低了裝配的成本，提高了系統的密度同時改善了整個系統的可靠性。
MultiPowerSO-30封裝與普通的大功率封裝比較起來，有以下優點：
在頂部的焊盤和在底部的焊盤是焊到晶片上，因而形成一條從矽晶片到外面的焊盤之間的散熱通路，它的熱阻很小，同時熱容量很大，可以吸收在切換時在很短時間內出現的很大功率。
封裝是對稱的，這表示不存在不平行的焊點，而對於不對稱的表面黏著元件，不平行的焊點是很常見的。
焊盤是露在外面的，改善了散熱性能。當焊盤是焊接在面積為7cm2的標準FR4印刷電路板上時，熱阻 Rθj-a 為26°C/W。由於熱阻這麼小，不必使用大散熱器，而現有的產品大部分需要很大的散熱器，因此設計人員可以顯著地節省印刷電路板的空間。
最後，總結一下VNHx系列元件的優點如下：
-它把整個大功率橋式電路都裝在一個封裝中。
-減少空間、降低成本。
-熱性能比較好。
-採用多晶片大功率表面黏著封裝，其中裝有三塊矽晶片（一塊是高壓開關和邏輯電路，兩塊低壓場效電晶體）。
-當裝在FR4印刷電路板上、用於驅動10 A的直流馬達時，在外面不需要裝散熱器。
-只需要用一個 PWM 介面接到外面的微處理器上去。.
为了提高新一代汽车的舒适性和安全性，在汽车中使用了不少马达。这些马达是用来控制雨刮器、天窗、车门锁、车窗的打开和关闭、发动机的油门、暖气通风和空调系统以及自动剎车控制等等。在前面列举的各种应用中，有很多工业装置使用了H型桥式电路：例如机器人、钻床以及各种需要控制马达的设备。由于出现了新的封装技术和的整合型电路芯片，现在可以把直流马达的驱动电路全部整合起来。本文介绍使用意法半导体公司（STMicroelectronics）提供的整合型组件来驱动直流马达，并且讨论了解决这些成组件在应用中出现的一些问题的方法。
一、引言
在最近几年中，在一辆汽车中使用的马达数量大量地增加，它们用于雨刷、天窗、车门锁、车窗的开和关、发动机油门的控制、暖气通风和空调、自动剎车控制等等。
上面讲到的应用中有许多使用了直流马达，而控制直流马达的方法基本上有两种：单极性驱动和双极性（双向）驱动。
在单极性驱动的情况下，电池电压加在马达上的电压只有一个极性。这就是说，把一颗开关和马达串联起来，用它控制这个执行机构。开关可以接在高压，也可以接在低压。如果开关是接在高压，就需要使用充电泵；把开关接在低压就比较容易实现。在这种应用中，自然是选择把开关串联在低压。由于这种单极性电路本身的特点，不能监控马达的电流（力矩），没有办法控制马达的施转方向。
在使用双极性控制的情况下，往往是使用H型桥式电路（图1）。桥式电路需要使用四颗开关：在电池和负载之间有两颗开关；在负载与系统地之间有两颗开关。由于这个电路使用了四颗颗开关，电流可以沿两个方向流动，负载两端的电压以及流过负载的电流的极性可以是正的，也可以是负的。
二、意法半导体公司的H型桥式电路
意法半导体公司研制了一种崭新的H型桥式电路用于控制大电流直流马达。这种组件是装在新的MultiPowerSO-30 封装中（图2），其中分成三个区域，外面露出三个金属焊盘。该组件的尺寸为16 x 17.2 x 2 mm。这种封装是专门为汽车这种恶劣的环境而设计的。由于裸芯片上的焊盘是露在外面，改善了散热性能。而且，在机械方面是设计成对称的，便于电路板的制造。
Fig. 2: Internal view of the device
这个组件基本上是由以下三部分组成：高压驱动电路，包括使用VIPower技术制造的场效晶体管以及所有的逻辑电路；两个不同的低压开关，它们是用PowerMESH技术制造的场效晶体管。
VNH2SP30和VNH3SP30两种组件属于这种新一代的H型桥式电路。组件内部有保护电路，在出现负载开路和负载短路、内部结点温度过高、电压过高或者电压过低这些常见问题时，内部的保护电路和诊断反馈电路便起作用，因而不会损坏组件。输入信号直接连接到外面的微处理器上，可以选择马达的转动方向和控制状态，并且监测马达中的电流。
图3是该组件的架构图。由于马达属于电感性负载，每颗开关都需要反向并联一颗反驰二极管，当组件工作在关断阶段时，为电流提供一个通路，从而避免出现电压尖脉冲。
这些H型桥式电路的主要性能和特点如下：
导通电阻RDS(on) ：
VNH2SP30的H桥两个通路的导通电阻均为17m （高压＋低压）。
VNH3SP30的H桥两个通路的导通电阻均为45m （高压＋低压）。
脉冲宽度调制（PWM）：H型桥式电路的负载两端上的平均输出电压由脉动宽度调制电路来控制。对于VNH3SP30，组件的工作频率高达10KHz；对于VNH2SP30，组件的工作频率高达20KHz 。
电流过载保护：30A。
敏感电流的方法（仅VNH2SP30具有这项功能）：镜像电流，相对于流过负载的电流的比例系数是K。这个电流是用于监测马达的状态。
组件中的逻辑电路检测是否出现短路到VCC、对地短路，或者负载两端是否出现短路。它比较低压开关上面的电压降Vds与内部的一个固定电压之间的差别，从而检测是否存在短路。
温度过高保护：如果组件在印刷电路板上没有足够的空间进行冷却，或者组件过载，它们的温度会升高。当内部的结温上升到150 ℃（最低温度）时，热保护功能便立即把内部组件切断。当结温下降大约15℃时，便回到正常工作状态。
电压过高、电压过低： 当电压超出一定范围时，内部的电路便把组件切断。对于VNH2SP30，当电压在5V,,,16V这个范围以外，对于VNH3SP30，当电压在5.5V,,,36V这个范围之外时内部电路把组件切断。
H型桥式电路同一侧两颗开关的同时导通保护： 参看图3，用内部的两个HSD电路来防止H型桥式电路中同一侧的两颗开关出现同时导通的现象。
Fig. 3: VNH2SP30 Block Diagram
不存在穿通的问题： 这项保护功能是与桥式电路常见的动态过程有关。参看图1。设想HS1和LS2这两颗开关处于导通状态。一旦外面的电路让这两颗开关进入关闭状态，让另外两颗开关HS2和LS1进入导通状态，也就是原先是HS1和LS2这两颗开关导通变成了 HS2和LS1这两颗开关导通，从而改变马达的转动方向。
一旦LS1进入导通状态，便产生一个dv/dt，这个变化会通过高压的电容Cgd耦合过去。在这种情况下，与dv/dt成正比的电流便会流过高压场效晶体管HS1栅源之间的电容器，对它充电，使得场效晶体管HS1回到导通状态。于是产生一个电流，它没有经过负载，而是直接从电池流到地，它不会受到马达的限制，对于组件来讲是很危险的。
VNHxSP30系列组件不会出现这种现象，这是因为对栅极电荷进行了优化，并且在内部电路中引入了适当的停止动作时间。为了进行正常的正转、反转及制动，外面的微处理器可以迫使桥式电路的输入信号按表1中的真值表运作（OUTA 是左半桥的中点，而OUTB 是右半桥的中点）。
信号EN用于确定桥路中那个臂导通。状态IN = 1表示与这个臂有关的HS开关处于导通状态，而 LS开关是处于关断状态（在IN=0 时，开关HS 处于关断状态，而开关LS处于导通状态）。不论是哪种情形，PWM信号为逻辑低电平时将把低压开关切断。
当PWM 信号上升为逻辑电位时，开关LS1 或者LS2 又开通。这取决于输入的状态。一旦出现故障，在内部把信号EN拉到低电平。可能出现的故障有以下两种：
 功率输出与地短路（在开关HS上的内部过温传感器检测温度升高的数值，它迫使有故障的臂处于逻辑低电平）。
 过热（即使不是处在制动状态，内部温度仍上升，内部的热保护电路动作，它的工作过程与前述相同）。
对信号EN进行监测便可以得到有关功率桥式电路工作状态的信息。不论是哪种情况，当检测到故障时，桥式电路中有故障的臂便关断并维持关断状态。输入信号必须再次从低电平上升到高电平，才能让它导通，相应地产生输出信号。
如果在H型橋式電路上加上極性為負的信號時（若此電壓高於1.5 V），反馳二極體成為正向偏置（圖4）。這表示在橋式電路中流過的電流很大，不受任何限制，它有可能損壞原來的二極體，而且會損壞功率開關，這是很明顯的。為了保護元件，可以在它外面採用保護措施。圖5是幾種可以採用的保護方案，各個方案各有其優點和缺點。
方案a：保險絲 + 二極體。當電池接反了的時候，接在電池正電壓端與地之間的二極體（圖5a）把內部的二極體旁路，迫使電流從保險絲上流過。當保險絲熔斷時，加在電路上的電源便切斷。這個方法很容易實現，費用也很低，但是每次把電池接反之後，都要更換保險絲。
方案b：在正電源上串聯一顆蕭特基二極體如圖5b所示。當電池的極性接反了的時候，這顆蕭特基二極體避免電流進入橋式電路。
這個方案很容易實現，費用屬於中等。對於工作在電流很大的橋式電路，在蕭特基二極體上的電壓降落可能很大。
方案c：在該元件與地之間接一顆導通電阻RDS(on) 很小的N型通道場效電晶體。H型橋式電路是經過場效電晶體的Vds接到地上去，而這顆場效電晶體的柵極是接到電池上，因而總處於導通狀態。如果電池極性反了，N型構道切斷，沒有電流流到橋式電路上去。為了保護場效電晶體不會因為來自電池的大脈衝而損壞，可以插入一顆電阻器和一顆背靠背串聯的二極體。採用這個方案時，在這顆場效電晶體上面有一個電壓降落，但是它只保護一個元件。
方案d：在供電電源與元件之間串聯一顆導通電阻RDS(on)很小的P型通道場效電晶體（圖5d）。H型橋式電路通過P通道埸效電晶體的Vds接到電源上。和前一方案一樣，當橋式電路正常工作時，場效電晶體總是處在導通狀態。一旦電池極性接反了，P型通道場效電晶體便切斷，在橋式電路中便沒有電流流過。採用這個方案時，在這顆場效電晶體上面有一個電壓降落，但是它保護接到Vcc電源線上的所有元件。這方案的成本比起用N型通道場效電晶體的方案要高一些。由於在供電電源端有一顆開關，可以使用N通道場效電晶體。在這種情況下需要另外用一顆充電泵來驅動場效管開關。
四、使用整合型H型橋式電路的優點
前面我們介紹了整合型的H型橋式電路，它裡面有控制器以及四顆導通電阻RDS(on)很低的場效電晶體開關。這種元件是專門為需要很大電流的直流馬達的控制而設計的。
這種元件有正轉、反轉和制動三種工作方式。VNHx元件具有保護功能，能夠防止電壓過高或過低、電流過大、溫度過高、橋式電路同一側的兩顆關同時導通、穿通、短路到地、短路到電源Vcc等問題而造成損壞。它還有一點是很有意義的，這就是它所使用的封裝。在前面講到過，這種新的元件是採用 MultiPowerSO-30 封裝（圖.6）。
Fig. 6: MultiPowerSO30
封裝技術的發展方向是採用表面黏著封裝。對於大功率應用也是如此。事實上，由於系統要求小型化，因而需要提高矽晶片面積與封裝尺寸的比值，同時降低它的厚度。
壓焊線技術也向著金、鋁、銅混合使用的方向演變。採用金、鋁、銅混合使用的技術時，在大功率的情況下，對脈衝電流和直流電流的限制不復存在。
此外，使用單片系統和單封裝系統可以大量地減少印刷電路板上的連接走線，信號線和電源線兩者都包括在內。
特別是，由於減少了電源的連接線，大量地減少了電源走線電阻所引起功率損耗，並且減少了寄生效應。分佈電感這種寄生效應會引起電磁干擾方面的問題。所有這些問題都與接地反射有關。
減少晶片之間的連接線，這不僅簡化了設計，也降低了裝配的成本，提高了系統的密度同時改善了整個系統的可靠性。
MultiPowerSO-30封裝與普通的大功率封裝比較起來，有以下優點：
在頂部的焊盤和在底部的焊盤是焊到晶片上，因而形成一條從矽晶片到外面的焊盤之間的散熱通路，它的熱阻很小，同時熱容量很大，可以吸收在切換時在很短時間內出現的很大功率。
封裝是對稱的，這表示不存在不平行的焊點，而對於不對稱的表面黏著元件，不平行的焊點是很常見的。
焊盤是露在外面的，改善了散熱性能。當焊盤是焊接在面積為7cm2的標準FR4印刷電路板上時，熱阻 Rθj-a 為26°C/W。由於熱阻這麼小，不必使用大散熱器，而現有的產品大部分需要很大的散熱器，因此設計人員可以顯著地節省印刷電路板的空間。
最後，總結一下VNHx系列元件的優點如下：
-它把整個大功率橋式電路都裝在一個封裝中。
-減少空間、降低成本。
-熱性能比較好。
-採用多晶片大功率表面黏著封裝，其中裝有三塊矽晶片（一塊是高壓開關和邏輯電路，兩塊低壓場效電晶體）。
-當裝在FR4印刷電路板上、用於驅動10 A的直流馬達時，在外面不需要裝散熱器。
-只需要用一個 PWM 介面接到外面的微處理器上去。.
