MOSFET二极管设计

首先，我只是说我不是电气工程师。但是，我是一位在电路设计和设置方面有一定经验的嵌入式程序员（给我1和0，然后我可以让他们跳舞...但是Analog是黑魔法……）。

一些背景可能有助于了解此处的情况。我在业余时间工作，以当地技术人员的身份帮助当地剧院。很久以前，他们建造了一个钻机，该钻机已用于多个作品和特殊活动。钻机特别是在舞台上方的轨道上的铝制机箱，可以远程操作。该设备允许技术人员在演出进行时降低舞台上的道具。将道具简单地连接到系绳，并通过小型直流电动机将其降低到舞台上。电机仅在一个方向上运行-向下。然后，钻机会跳出舞台，并准备下一次使用。通过这种非常有趣的设计，可以将电动机取下并放回数次（已更换为不同的物品，钻机上没有足够的空间来存放所有物品）。

现在，我很久以前就设计了控制电路，从那时起，它们工作得很漂亮。但是，我终于有时间和金钱通过升级来帮助他们。在此过程中，我试图解决所有找不到正确答案的电子难题。

原始设计是连接到uC的DEAD简单... n沟道MOSFET（查看下图，但去掉A / B / C / D）。这一直在起作用。但是，每次在设备仍处于通电状态下插入电动机时，设备将完全重启。最初，我以为这可能是由于直流电动机线圈上的电流涌入所致，但是我不知道该怎么办，或者缺乏反激二极管。或更糟糕的是，uC正在发生某些事情。经过谷歌和这个网站的几次旅行后，我已经看到了一些建议，但是我无法确定哪个是准确的或最佳的解决方案。甚至更糟糕的是，我不知道如何正确调整任何这些组件的大小（对不起，帮助！）。

有关其他信息，所连接的电动机始终为3v-3.3v和1A才能运行。电机可以随时更改，因此在此我无法给出每个电机的属性的确切值（钻机必须对此视而不见），但始终满足这两个要求。电机也通过uC由PWM控制。

这是我看到的建议：

因此，让我们往下看。

建议使用“ A”来防止在电动机的磁场崩溃时uC闭锁。我...猜测是有道理的，不确定是否会帮助或伤害我。

“ B”是标准的反激二极管，用于在磁场崩溃时防止反电动势。这是放正确的地方吗？如果正确的话，如何调整二极管的尺寸？

“ C”是一种双齐纳反激，也有人建议使用。这需要更多部分，所以我不确定这里是否有任何好处。

“ D”是压敏电阻，可防止涌入。插入电源后，是否可以防止uC重新启动？一种尺寸如何？

这些设计是否正确？我是否需要添加TVS以获得ESD？更重要的是，如果其中任何一个都是不错的选择，那么如何选择零件呢？我知道要在数据表中查找某些项目，但是大量其他信息只是帮我忙。重要的是什么而不是什么？

最后（我知道这是一个书集），我们已经在今年添加了最后一点。

这是导演的要求。他希望能够“丢下”某些物品，而不是使用系绳。为此，他目前的舞台手感很差，无法将相当大的磁铁连接到汽车电池。磁体规格为12V，0.66安培（apwelectromagnets.com的EM175L-12-222），保持力为110＃（完全过大，但与安全有关）。我相信上面的电路将完成所需的工作。uC将沿线路发送1（MAG1 / MAG2，武装是安全的，也将是1），并且磁铁已通电。当我想“放下”时，我在MAG1 / MAG2上写了一个0，向相反的方向发送H桥，迫使磁铁将支柱推开（如果磁铁掉下，它会“粘住”）放置时间过长，会使支撑板磁化）。这种设计行得通吗？我是否需要从上方添加相同或不同的保护，因为当H桥切换时，该字段上的EM字段会更大吗？

我对此表示衷心的感谢。我希望我可以透露更多有关剧院，表演和其他信息的信息。但是，根据我的合同，该项目将禁止我在未经导演批准的情况下进行此类工作（正在努力！），我们将不胜感激，并且，如果获得导演的批准，我将尝试将您添加到展会手册中。

再次感谢您阅读MOSFET的故事，或者阅读更流行的标题《哈利·波特与二极管的囚徒》。

根据托尼的问题进行编辑：

电源来自一条A / C线，该线通过板载电源（Delta Electronics的100W，DPS-100AP-11 A）转换为12V，然后通过每个能够提供5A电流的线性稳压器分别转换为5V和3.3V（ AZ1084CD-3.3TRG1通过Diodes Incorporated提供3.3v电源，LM1084ISX通过TI提供5v电源）。外部电缆没有屏蔽，主要由标准的2端子扬声器线组成（不幸的是便宜）。电缆长度从当时的钻机设置到几英寸到10'不等。

我认为对于热开关电动机，我会关注这样的事情。

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

D1为导轨提供了一种隔离措施，可避免在连接电动机时可能发生的任何反向驱动。但是，您可能需要使用更高的电源轨来补偿该二极管压降。您可能需要考虑用一个有源元件替换该二极管，该有源元件仅在主晶体管之前导通并且压降较小。

C1添加了一些本地电荷存储以抵消初始浪涌负载。

D3当然是用于反激事件的。

TVS二极管D2和D4可以应对插入电动机时可能产生的任何静电放电。请注意，它们均在中央接地，因此，如果两条电动机线都相对于您的地线都是高压的，则它们都具有回到地面的导电路径。

R1限制了来自微控制器的导通电流，还有助于保护微器件免受ESD事件的任何电容耦合。

如果您认为这是一个问题，则可以与D1串联添加一个浪涌电流限制器，也可以添加一个。但是，由于使用的是低压电动机，因此没有太大的净空。

接地也需要注意。您的系统需要连接到舞台地面，并且该连接必须尽可能靠近电动机的连接点。微型设备等的接地需要自行接地。

您可能还需要考虑将驱动器与微控制器光学隔离。由于正在进行许多热切换，大概是由不太了解操作细节的人们进行的，因此更好的隔离效果更好。电流限制也将是一个很好的选择，因为电动机连接两端的短路也是可能的事件。

至于磁铁的设计。

如果您真的必须那样做，那么合适的全桥驱动程序就足够了。在这个论坛和其他地方，有许多可用的设备，示例电路比比皆是，所以我在这里不再赘述。

但是，为此目的使用电磁体的智慧是错误的。如果说磁铁在错误的时间关闭，则确实存在在错误的时间掉落东西的危险，从而导致财产损失或更严重的伤害甚至死亡。

这样的话，如果是我，我会出于道德理由拒绝执行它。您需要在这里挖掘治疗方法。

丢弃机制本质上必须是故障安全的。也就是说，断电绝不能使物品掉落。另外，在进行操作和安装时，应将物品锁定在适当的位置，以确保船员和表演者的安全。必须使用某种形式的过中心，螺线管致动的机械释放机构，可能带有附加的锁定销。

该答案仅解决了电磁问题。

安全系统必须设计成能使安全失效。这意味着控制链中任何组件的故障都必须导致安全（或更安全）状况。在软件控制的安全系统中，如冗余处理器，交流耦合等，必须采取特殊的预防措施，因为软件错误，崩溃和晶体管故障可能会导致危险情况。例如，您不能保证晶体管会开路或短路失败。

图1.门磁锁。

门磁锁可提供能量锁（最常见）和能量释放（例如监狱）。在我看来，能量释放类型将在您的应用程序中起作用。

我不知道这一点，但我怀疑这三个极按南北向排列（反之亦然），并且线圈被缠绕，推入黑色插槽并装在适当的位置。一旦磁铁碰到支架，磁路便会闭合。任何玩过马蹄形磁铁的人都会知道，打开闭环非常困难。

图2.线圈和磁通路径。

在这里我们可以看到，打开锁时，暴露的面是磁铁的磁极。还要注意，中心极的磁路宽度是上下极的两倍，因此磁通密度相当恒定。一旦锁关闭，助焊剂就会形成一个穿过铁芯的回路。

当线圈以正确的电压和极性通电时，永磁通量被抵消，电枢释放。

现在，您的问题已减少到确保仅在适当的时间为线圈通电。将一个或两个按钮与线圈串联放置就足够了。在此设置中，有人会监视是否可以进行拖放，按下两个按钮，如果需要，微控制器仍可以执行精确计时。

EMI引起的复位有两种类型。传导和辐射。

传导非常容易确定范围，并使用足够的电源在驱动器电源V +，0V附近安装一系列电容。

辐射更难定义，范围干扰取决于电缆的质量以及选择接地的屏蔽方法。如屏蔽双绞线。这些可以改善导致电缆之间串扰的意外辐射。浮动直流电源通常使吸收辐射噪声变得更加困难，但也可能成为其他接地噪声干扰的路径。

当B用于单侧开关时，不需要C。D是与负载串联使用的ICL，它可以限制浪涌启动电流，但也可以限制启动转矩，但是如果您通过斜波PWM来调节电压上升来实现同样的目的，则D是多余的。

不幸的是，细节要求您在布局，电源和屏蔽层的接地，电缆类型和长度方面缺少更多细节。

请注意，屏蔽双绞线可能是最好的解决方案，电缆周围应使用CM扼流圈或更好，对于此电流浪涌应使用CM SMD扼流圈。