电刺激 H 桥自举电路:原设计缺陷与优化方案揭秘

出处:网络整理时间:2025-07-11

  在电刺激相关的电路设计中,H 桥的自举电路设计至关重要。本文详细剖析了自举电路的工作原理,阐述了如何借助电容来保持 MOS 管的 VGS 电压稳定,以及该电路在 H 桥应用中的具体实现方式。同时,着重指出了原设计存在的不足,并提出了切实可行的优化方案 —— 采用单独电源为电容充电。

  自举电路在用于 MOS 管的高端驱动时,其基本原理是基于电容两端的电压差值不能突变这一特性。这里需要明确的是,是两端的差值,而非一端的电压值不发生突变。在 H 桥的自举电路中(完整电路未画出,还有另一半电路),采用了两个 NMOS 管,分别为 U9 和 U10。其中,NET4 引脚连接负载,NET3 与 NET5 分别为单片机的控制引脚,VCC 为负载驱动电压。

  NMOS 管的驱动条件是 VGS > V1(V1 为 MOS 管的导通电压)。若要导通 U9,需要 NET5 引脚的电压大于 NET4 处的电压。在初始状态下,NET4 没有电压值。当导通后,负载的供电电压 VCC 作用于 NET4 处。若 VCC 小于 NET5,电路还可以继续工作;但如果 VCC 为高电压,NMOS 管就会返回截止状态。

  为了解决这一问题,利用电容两端电压不能突变的特性,在 MOS 管的 GS 两端并联一个电容(图中电容仅为示意,不能作为实际参考)。NET5 引脚接到电容为其充电,此时 C32 两端的电压值为 3.3V。当 MOS 管导通之后,负载电压使 NET4 = VCC。由于电容电压不突变,即电容两端的相对电压值为 3.3V,电容开始放电。此时,电容连接 MOS 管源极的电压值变为 3.3V + VCC,则 Vgs = Vg - Vs = 3.3 + VCC - NET4 = 3.3 + VCC - VCC = 3.3,仍然可以保证 MOS 管导通。

  同时,为了防止导通之后电容上端的高电压(3.3 + VCC)对单片机造成损坏,在电容与单片机引脚之间加一个二极管。当二极管下端的电压大于上端的电压值时,二极管无法导通,从而起到保护单片机的作用。
  到这里,一个简单的自举电路就基本完成了。简单来说,自举电路就是利用电容电压不突变的特性,通过电容的充放电过程,在导通之前让控制引脚为电容充电,负载导通之后,电容放电使 VGS 电压拉高。因此,在实际应用中,需要不断地让电容进行充放电,以此来维持 VGS 两端的电压。

  然而,本文中给自举电容的充电设计存在不合理之处。经过分析和改进,提出了新的方案,即采用单独的电源 vcc 为电容充电,这样可以更好地保证自举电路的稳定性和可靠性。

  自举电路的存在是因为 MOS 管在某些情况下无法满足导通条件,特别是当 MOS 管应用在负载电路(如桥式电路)时。例如,U9 的 MOS 管的 S 极由于接负载,当 U9 导通时,NET2 处的电压被拉至 VCC。当 Vnet3 - Vnet2 不满足导通条件时,MOS 管就会截止。此时,如果在高侧的 MOS 管的 S 极(net2)与 VCC 之间串联一个电容,并在 MOS 管的 GS 之间并联,利用电容两端电压不会突变的特性,电容两端电压保持为 VCC。当高侧的 U9 导通时,电容右侧的电压为负载电压,由电容特性可知,电容左端电压为 VCC + 负载电压,这样二极管 D6 就不会导通,电容执行放电过程,MOS 管的 G 极又重新满足导通条件,相当于电容举了负载的电压在 MOS 的 G 极上,通过自举电容和二极管完成导通。

  综上所述,合理设计 H 桥的自举电路对于电刺激系统的稳定运行至关重要。通过对原设计的改进和优化,可以提高电路的性能和可靠性。
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