一、H橋基本拓撲結構

下圖顯示了H的基本拓撲結構：

H橋基本拓撲結構

在一般的設計中，開關通常是某種晶體管（雙極型、MOSFET、 IGBT）。開關對角閉合（左上角和右下角或者右下角和左下角）在任一方向將電源連接到負載。

二、H橋需要克服的問題

H橋存在有2個問題：避免擊穿和驅動高端晶體管。

擊穿是指左側兩個開關或右側兩個開關同時閉合的情況，這肯定會導致短路，這是一個壞事，可能會損壞開關或者其他組件。

下圖顯示了這里說的情況。

• 有2種可能發生這種情況的方式，一個是應用了非法控制信號，例如由于軟件錯誤。

• 另一個是從一種極性切換到另一種極性時，柵極驅動信號中存在短暫且無意的重疊。

左側的兩個開關意外同時導通，導致大的短路電流流過

驅動高側晶體管是相對比較難的部分，因為高側晶體管以相對較高的電源電壓為參考而不是以地為參考，控制信號（通常來自微控制器或類似設備）以地為參考，因此需要某種電平轉換電路。

三、設計H橋電路

主要是為了驅動5相雙極步進電機，Iw = 0.21 A，Rw = 32 ohms，因此H橋需要能夠支持6.7V的驅動電壓。

1、設計選擇

大約200mA的電流不是特別高，使用雙極晶體管（BJT）作為開關。對于更高的電流，必須使用具有較低電流增益的強大功率晶體管，就需要大量的基極電流，這樣實際上不好處理，并會導致大量損耗和需要消散的熱量。

這里打算在電流和電壓處理要求上留出一些余量來構建電橋，使用MOS管來避免BJT的靜態基極電流引起的功率耗散問題。

對于給定的導通電阻，就元器件尺寸（成本）和柵極電容而言，NMOS管晶體管的效率大約是PMOS晶體管的3倍，因此對于高功率設計，上下開關都使用NMOS晶體管是有利的。

但是將NMOS管用于上部開關有一個問題：NMOS管需要高于橋電源電壓的柵極電壓。如果使用PMOS管，低于電源電壓的柵極電壓是足夠的。為了避免額外的電源電壓，并且由于電流相當低，因此合適的PMOS管的成本不高。

最后我決定使用PMOS管作為頂部開關，NMOS管作為底部開關。

2、H橋驅動電路信號生成

這里為了避免設計安全，即使微控制器代碼中的錯誤就永遠不會導致嚴重情況發生。因此需要注意以下2件事情：

• 1、使用一些邏輯門用于控制信號（啟動/方向）轉換為打開左上/右上或者右上/左下的內部信號，

• 2、為了避免在方向信號變化期間發生短暫的直通，最好在晶體管的導通信號中引入延遲，而且讓關斷信號盡快通過，因此引入一個短暫的時期，在極性切換期間沒有晶體管導通。

下圖顯示了一種概念性解決方案，實現了啟用/方向控制信號和柵極信號之間的切換，并在晶體管即將導通時引入了延遲。

H橋的柵極驅動信號如何生成的電路圖

H橋的柵極驅動信號生成原理

兩個ADN 門允許使能信號斷開控制信號與MOS管柵極的連接，二極管/電阻組合使電容的充電速度比放電速度慢，因此當晶體管即將導通時，柵極驅動信號到達晶體管所需的時間比晶體管即將截止的時間更長。

通過讓來自與門的柵極控制信號對角地控制晶體管，來自與門之一的電平變化打開或者由門控制的兩個晶體管。僅使用2個延遲電路就可以控制4個晶體管的時序。

反相器I2和I3需要將與門的邏輯電平轉換為適合驅動晶體管的電壓。

四、詳細設計

1、設計原理圖（評論區留言或者私聊獲取PDF文檔）

完整的（雙）H橋的示意圖

2、邏輯門的選擇

下圖的與門需要有施密特觸發器輸入，因此與門是由相對緩慢變化的電壓驅動的。使用或非門會使使能信號處于低電平狀態，但這并不是缺點。使用或非門的一個優點是反相器 I1 可以通過或非門實現。然后單個邏輯IC就可以滿足H橋的要求。

這里需要使用2個用于H橋的邏輯IC來提供所需的NAND門和4個反相器。'240 系列邏輯電路中有八進制反相器可用，連同'32 四路與非門，有足夠的門用于兩個橋。所以最后還是在同一塊板上構造了2座H橋。下圖顯示了最終的設計。

邏輯門和不對稱時序電路的示意圖

可以使用幾個不同的邏輯系列，因為我想要具有CMOS輸入電平的NAND門，這也意味著施密特觸發器輸入將以電源電壓的一半進行切換，同時我還希望反相器具有CMOS輸出用來驅動NFET高達5V。

因此NAND門可以是 HC或者AC系列，而反相器可以是HC、HCT、或者AC等。

最后 2個地方都是使用的HC，將HCT用于反相器用來適應方向信號上的TTL電平并不好，因為啟用信號無論如何都必須有CMOS電平。

3、其他輸入級選擇

這里我在輸入信號上放置了下拉電路，將它們保持在有效且安全的邏輯電平，防止某些輸入有時沒有連接。CMOS輸入具有非常高的阻抗，不然很容易拾取噪聲。

為了限制電容充電時的電流浪涌，在二極管/電阻對桑串聯了一個額外的330Ω電阻，另一個電容和電阻的值先手工計算大致計算確定，然后進行模擬，在電路完成后進行微調，保證沒有擊穿。

4、高側驅動器

高側PMOS晶體管的驅動電路需要反轉信號并增加電機電源電壓的擺幅，該電壓至少為7V，必須能夠相對地對FET的柵極電容進行充電和放電。當較低的NMOS管快速拉動漏極電壓時，即使寄生柵極電容將其拉低，PFET也會保持關閉狀態向下。

高側驅動器

上圖顯示了完整的驅動電路。反轉和電平移位由NPN晶體管Q9處理。該晶體管的關閉速度非常慢。因為如果沒有從基極到集電極的肖特基二極管防止飽和，就會處于飽和狀態。這和LSTTL邏輯內部用于加速切換的技術相同。

Q5作射極跟隨器連接。并在PMOS晶體管關閉時向電源軌提供所需的低組狼。僅依靠R6將柵極拉高會顯著拉高晶體管關閉的時間，但是這里更重要的是。當快速發生變化時，電阻無法將柵極保持在高電平。

由于較低的 NMOS 導通，PMOS 晶體管的漏極處出現壓降（大的負 dV/dt）。 當 PMOS 導通時，二極管 D5 提供將柵極拉低的路徑。這里使用 PNP 射極跟隨器來稍微加快開啟速度。

小柵極電阻 R7 可限制柵極電流浪涌并降低柵極電路中出現振鈴的風險。

5、電路其余部分

這里顯示了電橋電路的其他部分

其他電路

驅動NMOS管要簡單一點，將普通的柵極電阻（R8）連接在反相器的輸出和柵極之間就可以。

這里在NMOS管的源極引線中添加了一個電流檢測電阻。方便測量電流并且驗證是否發生擊穿。選擇1Ω作為獲得示波器測量的合適電壓和最小化損耗之間的折中方案。

在0.2 A 電流下，我們得到 0.2 V 壓降，與 6 或 7 V 電源電壓相比，這相對較小。測試完成后，可以用 0 Ω電阻替換 1 歐姆電阻。

對于 MOSFET，選擇了 IRF7343，是采用單個 SO8 封裝的 NMOS/PMOS 組合，是價格、可用性和導通電阻的綜合選擇。

這里還在H橋輸出上添加了LED，可以直觀地指示電路的狀態。但是對于成品來說，最好不要使用LED。

五、H橋電路PCB設計成品圖

最后決定將雙H橋電路放在雙面PCB上，將所有外部信號拉到單排排針，而不是設計一個包含H橋、微控制器、電源等完整的PCB，這樣可以最大程度低減少工作量，從而完成項目的H橋部分。如果有必要的化，可以始終將H橋與電路板上的其他電路集成在一起。

下面為最終的成品圖。

H橋電路PCB設計成品圖