使用L293或L298等全橋芯片來控制直流電機雖然簡便而且成本低廉，但由于它們的內(nèi)阻較大，在控制大電流的馬達時芯片常常過熱，導致系統(tǒng)的整體效率較低。在電動車上，馬達控制芯片的內(nèi)阻過大會導致車子的加速度變小。
本人設想在暑假制作一個大的輪式或者履帶式機器人，并且希望它能跑到公交車那么快，于是開始研究如何使用MOS管來控制更大電流的電機。
首先，本人參考了 《大功率直流馬達的驅(qū)動——ABU ROBOCON 2005比賽之動力方案》一文中的電路圖 （原文地址 http://www.robotdiy.com/article.php?sid=192 ）
按照這個原理圖，我熱轉(zhuǎn)印制作了單個全橋的實驗電路。個別的電阻電容值有所變動。
上電并給予有效的持續(xù)高電平信號后發(fā)現(xiàn)電路不能驅(qū)動馬達，而2104開始發(fā)燙，540沒有任何反應。于是更換2104，但仍出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。通過示波器檢測發(fā)現(xiàn)，高端MOS沒有被驅(qū)動，而低端MOS的G端信號正常，因而橋沒有被導通。更換信號方向，另外半橋仍然出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。
本人開始懷疑是BOOTSTRAP電容的問題，于是實驗了不同的電容值。但無論怎么變換，問題仍然沒有被解決。由于手頭沒有4148，使用了IN5819作為續(xù)流二極管，按道理5819只會比4148更好，不應該成為問題的原因。
由于手頭2104只有6片，而所有的都上電并且發(fā)熱過，于是重新購買了一批2104。在這里感謝周順同學，那天剛好他畢業(yè)考考好，幫我到科技京城買了2104。
更換2104后，電路工作正常。周順看了看我原來的2104，恍然大悟：原來的芯片是97年前的舊貨。
馬達歡快地轉(zhuǎn)了起來。由于540的內(nèi)阻要比298小很多，馬達的加速度明顯提高，變向時電刷更是發(fā)出了閃亮的火星。
回到家后用示波器開始研究高端MOS的G端驅(qū)動電壓波形。發(fā)現(xiàn)在EN端為高的初期，高端MOS的驅(qū)動電壓突然升至比VCC高10V。此時強推動作用起效。但隨著時間的流逝，該電壓逐漸衰減為VCC，MOS的導通程度越來越不完全。直到下一個脈沖到來，G端電壓又恢復為VCC+10V，但又逐漸衰減。也就是說，用持續(xù)的高電平信號來驅(qū)動MOS會導致MOS不能被完全導通，致使MOS發(fā)熱，馬達的實際功率低下。使用PWM信號則可以解決這個問題，它使BOOTSTRAP電容反復充電放電，使高端驅(qū)動電壓始終維持在一個比較高的水平。倘若想讓馬達全速前進，不能使用持續(xù)的高電平，而需要用3%左右占空比的PWM，這是驅(qū)動2104與驅(qū)動298等全橋芯片的最大差別。
不同的BOOTSTRAP電容值適應于不同頻率的PWM信號與不同的MOS。電容值大的充電和放電時間都比較大，電壓衰減得也比較慢，因而適合較低頻率的PWM；電容值小的充電放電時間比較短，適合于較高頻率的PWM。雖然IR給出過一個BOOTSTRAP電容的計算公式，但本人更傾向于通過實驗來尋找合適的電容值。這樣做既避免了繁雜的計算，又可以通過實驗來了解它的工作原理，而且還可以適應板載電容。
通過實驗，本人確定了1UF的電容值。該電容采用了旦電容，以減少漏電。但如果沒有旦電容，其他漏電較大的電容影響也并非很大。相對于高頻的PWM，在如此短的時間內(nèi)漏電的影響是微乎其微的。但從理論上來說，BOOTSTRAP電容漏電會導致高端MOS的導通電阻變大。
總結(jié)了以上經(jīng)驗，本人又制作了一塊雙電機的MOS驅(qū)動電路。電路沒有太大的改變，只是把續(xù)流二極管改為原圖所說的4148，把阻容換成了貼片封裝，并且采用了1UF旦電容作為BOOTSTRAP電容。
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該電路制作好后成功地驅(qū)動了我的機器人小車。小車在全速啟動以及突然反向運動時的性能明顯比使用298要好。主要原因為突然變向的電流很大，而298的驅(qū)動能力有限，導致變向的電流較小，加速度較小。
實驗并沒有發(fā)現(xiàn)該電路有什么問題，于是電路基本定型，轉(zhuǎn)向于研究設計印刷電路板。由于TO-220封裝的MOS管直立很占空間，而且還需要散熱器，于是本人決定采用貼片的D2PAK封裝的IRF540，其他元件也都改為貼片封狀。另外為了散熱，本人還在芯片的上面設計了散熱器和風扇。降低MOS溫度可以大大提高工作效率。
一周后我拿到了印刷電路板，同時我也去購買貼片元件。IRF540S（S是貼片，N是TO-220）并沒有買到正品，而是買到了打磨后重新刻字的拆機件，其他元件都買到了正品?；丶液附雍煤螅娐饭ぷ髡?，綠的散熱器很漂亮。
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雖然該電路工作正常，但總感覺拆機的MOS管發(fā)熱很大。于是我決定將TO220的正品540改為D2PAK封裝，以做對比實驗。
首先，用鑿子將BACK鑿到合適的位置
剪去一個腳
用老虎鉗彎到合適的位置再剪到合適的長短
改裝好的540與D2PAK封裝的7805對比
我將這些改裝好的正品540焊接到了電路上，而且沒有安裝散熱器。由于急于想看到實驗結(jié)果，在使用完焊錫膏后我沒有洗板就上電了，結(jié)果2104突然冒火，被燒成兩半。我急忙斷電，但為時已晚。更換2104后，電路仍不能正常工作。通過檢測發(fā)現(xiàn)，問題出在74HC00上。更換74HC00并洗板后，電路工作正常。我突然意識到74HC00的剩余引腳沒有接地，而焊錫膏則可能導致漏電。因而我將這次事故的主要原因歸結(jié)為：CMOS剩余引腳沒有接地，而焊錫膏漏電導致慘劇發(fā)生。
電路修理好后，通過驅(qū)動同一馬達，我發(fā)現(xiàn)正品540沒有任何感覺得到的升溫，而拆機540則明顯升溫。我斷定，拆機540并非540，而是其他電流較小的MOS打磨后冒充540。
我來到科技京城，到處尋找IRF540S，但所有的商家都告訴我，只有假的，真的沒有。而其他的貼片MOS，電流都比較小。因此我意識到只能采用手工加工540N的辦法來獲得540S。。。。。真是無奈啊。
回家后我開始實驗較大電流的驅(qū)動，我將驅(qū)動電壓和2104工作電壓設為同路的12V，由一個2A的穩(wěn)壓電源供電，并且將限流開到最大。驅(qū)動信號為97%高電平的PWM，每隔1秒反轉(zhuǎn)馬達。當馬達反轉(zhuǎn)時，意想不到的事情發(fā)生了：馬達停了下來，電流卻被限制在了2A！此時板上的元件一定開始發(fā)熱了！我迅速地將電源關閉。摸了下2104，滾燙！不過還好沒有燒毀。重新上電驅(qū)動小馬達一切正常。但一反轉(zhuǎn)大馬達，同樣的事情再次發(fā)生。經(jīng)過反復思考，我將該問題歸結(jié)于電源的限流。由于馬達反轉(zhuǎn)時電流巨大，拉低了電壓，使2104工作電壓低于了正常范圍（10V-20V），最低甚至到達了3V，而此時外圍電路卻在繼續(xù)工作，2104極有可能發(fā)生錯亂而導致發(fā)熱。因此本人建議：2104的VCC最好能單獨供電，千萬不能因為馬達而拉低電壓，否則后果很可能是毀滅性的！
解決了該問題后，我想到電路的設計電流過小，50MIL的線頂多只能通過5A的電流，而540卻能驅(qū)動30個安培，該電路對它的驅(qū)動能力造成了極大的浪費，因此決定重新設計。
在重新設計的電路板上，我沒有改變?nèi)魏蔚碾娐?，而是把心思放在了走線以及散熱上。我在每個MOS的正面和反面都采用了長方形的敷銅充當散熱片，并且在MOS安裝的地方用數(shù)量眾多的過孔將兩片敷銅連接起來，使正面的熱量能夠迅速傳遞到反面進行散熱。另外在大電流的網(wǎng)絡中，我還運用了SOLDER層去除阻焊層，使之能夠鍍錫以提供更大的電流。
昨天我拿到了PCB板，迫不及待地進行了焊接，洗板以及上電實驗，一切順利。電路自身的散熱性能極佳。
可以看到MOS反面的散熱敷銅以及熱傳導用的過孔
焊接好的板子（正面）
焊接好的板子（反面）
MOS的研究基本上告以段落，因此作該文以分享我研究過程中的經(jīng)驗以及快樂。有一些多余的打印好的熱轉(zhuǎn)印紙和5張第一板的PCB可以送給大家，請需要的人跟貼。前提是你在索取之前已經(jīng)進行過一些相關的學習和實驗，并樂意將自己的快樂與大家分享。
