目錄

• 基礎知識
  • NMOS原理
  • 半橋控制原理
• IR2104簡介
  • 示例電路
  • 引腳定義
• 電路原理詳解
  • 自舉升壓
  • 死區控制
• 總結
• 鏈接

引入：IR2104是我上手的第一個半橋柵極驅動芯片，使用兩片IR2104就可以搭建一個全橋電路控制電機的正反轉。然而由于不懂其中原理，在后續電路設計中出現了許多bug，這篇文章作為一個經驗總結，也作為一個新手教程，從MOS管的工作原理深入講解IR2104電路設計。

0、基礎知識

IR2104是一顆半橋柵極驅動芯片(控制 構成半橋的MOS管的柵極的芯片)，所以在介紹IR2104之前，我們先了解一下MOS管和半橋是什么。

0.1、NMOS原理

關于MOS管的介紹，推薦B站工科男孫老師的視頻 NMOS的介紹

這里僅簡單介紹一下，NMOS有三個引腳，分別為G(柵極)、S(源極)、D(漏極)，當DS之間有電勢差且GS間電壓大于開啟電壓Vth時，NMOS完全導通。用公式表示就是Vgs > Vth。
可以簡單理解為：當 G(柵極)電壓 大于 S(源極)電壓 時，NMOS導通。

0.2、半橋控制原理

一個NMOS構成的開關電路(如下圖)只能輸出低電平或高阻態(稱為開漏輸出)，不能輸出高電平。

于是我們再接入一個NMOS來控制高電平的接入(如下圖)。

這時我們將連接高電平的MOS叫上管，連接低電平的MOS叫下管，通過控制上下管的導通，就可以控制高低電平的輸出。

HIN=1、LIN=0 時，上管導通下管截止，輸出高電平；
HIN=0、LIN=1 時，上管截止下管導通，輸出低電平；
HIN=0、LIN=0 時，上管截止下管截止，輸出高阻態；
HIN=1、LIN=1 時，上下管均導通，短路！！！。

看起來這個電路很完美，但需要注意的是，要控制上管導通，需要VHIN > Vout，而在上管導通時，Vout≈Vcc，也就是說，VHIN需要大于Vcc才能使上管導通，如何獲取一個大于Vcc的電壓是第一個問題。在MOS開關過程中，如何防止短路的發生是第二個問題。

幸運的是，上面兩個問題都可以通過使用柵極驅動芯片來解決，下面我們就進入正題—IR2104芯片。
（請牢記上面的兩個問題）

1、IR2104簡介

IR2104 是一款高壓、高電流、半橋驅動器，用于驅動功率 MOSFET 和 IGBT。內部集成死區控制電路和shutdown功能。

1.1、示例電路

1.2、引腳定義

引腳可以分為兩類

• 邏輯引腳
  • IN引腳控制柵極驅動引腳HO和LO的輸出，且HO電平與IN相同，LO電平與IN相反
  • SD#引腳控制芯片工作與否，“#”表示低電平有效，即SD為低電平時芯片停止工作
• 驅動引腳
  • VB/HO/VS 可看作一組驅動引腳，驅動高端NMOS
  • Vcc/LO/COM 是一組驅動引腳，驅動低端NMOS

在引腳的英文釋義中，出現了 floating 和 fixed 兩個單詞，意為“浮動”和“固定”，分別描述了高端和低端的驅動引腳。
此處點出，后文解釋。

2、電路原理詳解

還記得開頭的兩個關鍵問題嗎，來回顧一下

• 第一個問題：如何獲取一個大于Vcc的電壓
• 第二個問題：如何防止短路的發生

解決這兩個問題的方法對應兩個新的名詞—自舉升壓、死區控制
在學習它們之前，我們先搞一個圖，便于分析芯片內外電路的工作過程（如下圖）

2.1、自舉升壓

自舉，顧名思義就是自己把自己舉起來，主要通過一個電容和一個二極管來實現。

先做一個小實驗，現在有一個5V電源和一個電解電容，將電源與電容并聯，此時電容充電，兩端電壓等于5V；在將電容取下，將電容的負極與電源正極連接，測量電源負極與電容正極之間的電壓。可以看到測量結果為10V。

這就是自舉的含義，將自己的能量先聚集到電容，再將能量疊加，實現電壓的升高。

我們來看一下自舉電路實際中的工作過程。(注：HO,LO的輸出也是由內部mos控制的)

• 當IN輸入0時，LO與Vcc導通，下管導通；HO與VS導通，上管截止。同時電流從Vcc經二極管向自舉電容充電。
  

• 當IN輸入1時，LO與COM導通，下管截止；HO與VB導通，此時自舉電容正極相當于連接HO，電容正極電壓=Vbat+Vcc，同時二極管防止了電流倒灌回Vcc，上管得以導通。
  

但這并不是一勞永逸的（一次充電，終身導通），自舉電容的容值取決于電路的控制頻率和NMOS的柵源電容，所以不會很大，且驅動mos時會有些許漏電，所以需要不斷的重復上述過程給電容充放電才可以維持mos的導通電壓。

下面我們再來做一個實驗，取一個IR2104模塊，上電后給IN輸入高電平，會發現上管輸出只能維持一小段時間，需要IN輸入低電平后再次給高電平才能恢復上管的導通。

上文的兩個英語單詞（floating、fixed）在這里可以解釋一下了。

• floating 意為浮動，很形象地描述了上管的驅動供電，自舉電容就像一條小船，其正極電壓跟隨Vbat水漲船高，飄忽不定，表示一種不確定性。
• fixed 意為固定，與floating對比就很好理解了，下管的驅動供電是Vcc，固定不變。

2.2、死區控制

死區，顧名思義“死掉的區間”。

為了防止控制過程中上下管MOS同時導通，芯片內部為控制輸出信號添加了“死區”，即兩個MOS均不導通的區間。

不添加死區的波形圖長這樣

添加死區的波形圖長這樣

可見無死區時，半橋在切換輸出狀態時，上下管會同時處于不完全導通狀態。這種現象輕則影響輸出不穩定、功耗增加，重則導致mos發熱甚至短路燒毀。

而加入死區后，半橋在切換輸出狀態時，會先確保上下管均處于截止狀態，之后在進行切換。

結合下圖數據表可知，DT的取值在400~650ns之間，這個參數可以作為MOS選型的依據。

MOS管的內電容是指溝道和柵極之間的電容，而外電容則是指溝道和外部環境之間的電容。這兩個電容在切換過程中會影響電荷傳輸速度，從而對死區時間產生影響。一般來說，較大的內外電容會導致更長的死區時間，而較小的內外電容則會縮短死區時間。因此，在設計MOS管電路時，我們應盡量減小內外電容的大小，以減小死區時間。——from百度文庫

3、總結

OK，至此，你已經掌握了IR2104的關鍵知識點，我們來整理一下

• 首先，IR2104是一顆半橋驅動芯片，而半橋是由兩顆NMOS構成的，所以我們先了解了NMOS的導通條件 和 半橋的控制原理。但是控制過程遇到了兩個問題，上管導通所需的高電壓和控制過程的防短路。
• 之后，在這兩個問題的基礎上，我們在IR2104上找到了對應對解決方案，自舉升壓 和 死區控制，明白了使用柵極驅動芯片的原因和必要性。
• 最后，其實這篇文章里還有諸多問題沒有深入講解，如自舉電容的容值、限流電阻的阻值以及如何搭建靠譜的電機驅動電路，這些就在下一篇（wait for me）。

作者

博客園@L-Q

鏈接

• IR2104數據手冊
• IR2104模塊開源連接