用MOSFET和微控制器驱动直流电动机？

我正在开发一个使用Atmega328微控制器，功率为3.3V的纳米四轴飞行器以及非常小的有刷直流电动机。这些电机使用的平均电流约为3.7V时为800mA。

最初，为了驱动它们，我使用了L293D电机驱动器，但是该组件效率很低。电动机以最大功率运行时测得的电流约为500mA，因此推力远低于应有的水平。

现在，要解决此问题，我将用4个逻辑电平MOSFET替换该电机驱动器。经过长时间的搜索，我找到了这个（2SK4033）。

你知道它是否应该工作吗？我必须与二极管一起使用吗？如果答案为“是”，那么这个（MBR360RLG）怎么办？

我之所以选择这些组件也是因为我可以从同一家在线商店购买它们。

MOSFET在该应用中应能很好地工作。这里有一些要考虑的事情：

1：

使用FET驱动负载时，可以选择高端或低端配置。高侧将FET置于电源轨和负载之间，而负载的另一侧接地。在低端配置中，负载的一根引线连接到电源轨，而FET则位于负载和地之间：

驱动电动机（或其他负载）的最简单方法是在低端配置中使用N沟道MOSFET。当N-FET的栅极电压高于其源极电压时，它便开始导通。由于源极接地，因此可以使用正常的开关逻辑来驱动栅极。在FET导通之前，存在栅极电压必须超过（“ Vth”）的阈值。某些FET的Vth为数十伏。您想要一个“逻辑级” N-FET，其阈值远小于您的Vcc。

低端FET配置有两个缺点：

• 电机绕组直接连接到电源导轨。当FET关断时，整个绕组都是“热”的。您正在切换地面，而不是电源连接。

• 电机将没有真实的接地参考。它的最低电位将比FET的正向电压高出地电位。

这些对您的设计都不重要。但是，如果您不期望它们，它们可能会成问题！特别是在高功率电路时：）

为了克服这些问题，您可以在高端配置中使用P-FET。但是，驱动电路变得有点复杂。P-FET开关通常将其栅极拉至电源轨。该电源轨高于uC的Vcc，因此您不能将uC的I / O引脚直接连接到门。常见的解决方案是使用较小的低侧N-FET下拉高侧P-FET的栅极：

存在R1和R3可以保持FET截止，直到驱动Q2。即使在低端配置中，您也将需要R3。

就您而言，我认为一个简单的低端N-FET（带有R3）将为您提供更好的服务。

2：

注意最后一张图中的R2。MOSFET栅极用作电容器，必须在漏极-源极电流开始流动之前对其充电。初次供电时可能会有很大的浪涌电流，因此需要限制该电流以防止损坏uC的输出驱动器。上限看起来只是短暂的一瞬间，因此不需要大的误差范围。例如，您特定的Atmel可以提供40mA的电流。3.3V / 35mA => 94.3欧姆 一个100欧姆的电阻会很好用。

但是，该电阻会减慢FET的开启和关闭时间，这会给您的开关频率设置上限。而且，这会延长FET在线性工作区域的时间，这会浪费功率。如果您以高频进行切换，则可能会出现问题。一个指标是FET是否过热！

解决此问题的方法是使用FET驱动器。它们是有效的缓冲器，可提供更多电流，因此无需限制电阻即可更快地为栅极充电。而且，大多数FET驱动器可以使用比典型Vcc更高的功率轨。较高的栅极电压降低了FET的导通电阻，从而节省了额外的功率。在您的情况下，可以用3.7V的FET驱动器供电，并用uC的3.3V对其进行控制。

3：

最后，您将需要使用肖特基二极管来防止电动机引起的电压尖峰。随时切换感性负载时，请执行以下操作：

电机绕组是一个大电感器，因此它将抵抗电流的任何变化。想象一下，电流流过绕组，然后关闭FET。当电场崩溃时，电感将导致电流继续从电动机流出。但是，没有任何地方可以流下去！因此，它可以穿透FET，或者做其他破坏性的事情。

肖特基与负载平行放置，为电流的传播提供了安全的路径。电压尖峰在二极管的正向电压时最大，对于您指定的电压，在1A时仅为0.6V。

上图是带有反激二极管的低端配置，简单，便宜且相当有效。

使用MOSFET解决方案时，我看到的唯一另一个问题是它本质上是单向的。您原来的L293D是多半桥驱动器。这使得可以双向驱动电动机。在1Y和2Y之间连接电动机的成像。L293D可以使1Y = Vdd和2Y = GND，并且电动机沿一个方向旋转。或者，它可以使1Y = GND和2Y = Vdd，并且电动机将以另一种方式旋转。很方便。

祝好运并玩得开心点！

这就是我要看的任何MOSFET。这是来自2SK4033的数据表：

您说平均电流为800mA，但是在负载下可以增加到1A以上吗？无论如何，在1A的电流和3.3V的栅极驱动电压下，当为1A负载供电时，MOSFET的两端电压会下降0.15V。您能忍受这种功率损耗（150mW）吗？更重要的是，当电池电压降至3V以下时，由于栅极电压不可避免地下降，您能否承受性能损失。

只有您可以回答这个问题。有比这更好的MOSFET，但是您必须计算期望看到的电动机的实际负载电流。

编辑

这是我遇到的一个芯片，它可以代替MOSFET很有用。这是TI 的DRV8850。它包含两个半桥，这意味着它可以独立驱动4个电机中的两个而无需反激二极管（实际上，顶部FET用作同步整流器，这当然可以减少损耗）。每个FET的导通电阻为0.045欧姆，额定值为5A（功耗约为1.1瓦），但是，考虑到OP希望约为1A，这变得非常琐碎。电源电压范围为2V至5.5V，因此再次非常适合：-

由于使用的是有刷直流电动机，因此不一定需要使用H桥作为驱动器。只有两种情况确实需要H桥；需要从外部对电动机进行换向（例如，以无刷PM电动机为例）或需要反向旋转。这些似乎都不适用于这里。使用单向或单象限驱动器（SQD）将大大简化您要尝试执行的操作。

您正在考虑使用的FET（2SK4033）与可用的驱动电压不是很好的匹配（Andy已经指出了原因），稍后我们将介绍有关选择FET的更多详细信息。

使用单象限驱动器（SQD）驱动有刷直流电机

通常，这将与选择FET作为控制元件有关。我们假设只有一个旋转方向，这意味着一个单象限驱动器（SQD）就足够了。对于SQD，可以使用P沟道或N沟道FET。N通道部分将是低压侧开关，而P通道部分将是高压侧开关。边缘将进入N沟道部分，因为驱动电路将更简单（反转少一点），对于给定的芯片尺寸，导通损耗更低，并且更容易找到低单位。这是使用N沟道FET的基本SQD的示意图。 $V_{\text{th}}$

- [R 风 ř $V_{\omega }$$R_{\text{wind}}$$R_g$$R_{\text{pd}}$$V_b$$V{\text{drv}}$

$I_m$$I_{d-pk}$$I_{d-rms}$$I_{\text{cr-ave}}$

• $I_{d-pk}$$I_m$
• $I_{\text{d-rms}}^2$$I_m^2$
• $I_{\text{cr-ave}}$$I_m$

选择FET的基本标准（选择FET的ABC种类）：

• $V_{\text{DS}}$$1.5 V_{\text{B-max}}$

$V_{\text{DS}}$

• $V_{\text{th-max}}$$\frac{V_{\text{Drv-min}}}{3}$

  $V_{\text{th-max}}$$R_{\text{ds}}$

• $\text{$\Delta $T}_{J-A}$

  热量升高非常重要。它考虑了所有损耗，包括传导损耗，栅极损耗和开关损耗。

基于3个标准的样品零件选择：

$V_{\text{B-max}}$$V_{\text{Drv-min}}$$V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$$R_{\text{DS}}$

• $V_{\text{DS}}$$V_{\text{th-max}}$

$R_{\text{th}}$

$P_T$$P_{\text{cond}}$$P_{\text{sw}}$

哪里

$P_{\text{cond}}$$R_{\text{ds}}$$I_m^2$

$P_{\text{sw}}$$\frac{1}{2} I_m V_b F_{\text{PWM}} \left(\tau _f + \tau _r\right)$

$V_{\text{gs}}$$V_{\text{ds}}$$V_{\text{gs}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{ds}}$

$Q_{\text{mp}}$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$$R_g$$V_{\text{mp}}$$V_{\text{drv}}$

$Q_{\text{mp}}$$\frac{\tau V_{\text{drv}}}{2 R_g}$$\tau$$\frac{2 R_g Q_{\text{mp}}}{V_{\text{drv}}}$$\frac{2(100 Ohms) \text{(4nC)}}{\text{3.3V}}$

$I_m$$R_{\text{ds}}$$R_{\text{ds}}$

$P_T$$0.9 \text{(33mOhm)} \text{(1.2A)}^2$$\text{(3.3V)} \text{(1.2A)} \text{(242nSec)} \text{(20kHz)}$

$I_m$

松散的结局

• 将驱动电路和开关靠近电动机。

• 虽然微控制器可以直接驱动FET，但保护微控制器的驱动器是个好主意（类似于NC7WZ16可以在此处工作）。

• $C_{\text{iss}}$

• $I_m$