掌握H桥电路：实现直流电机的正反转与PWM调速

什么是H桥？

H桥电路，因其拓扑结构酷似英文字母“H”而得名。它的核心通常包含四个可以独立控制的开关元器件，例如下图中展示的四个MOSFET开关管Q1、Q2、Q3、Q4。

这类电路设计主要用于驱动需要较大工作电流的负载，比如我们常见的直流电机。

如图所示，H桥电路的中央位置连接着待驱动的直流电机M。而D1、D2、D3、D4则是MOSFET的续流二极管，其作用至关重要，我们稍后会详细解释。

H桥的四种核心开关状态

我们以驱动一个直流电机为例，来详细解析H桥的几种典型工作状态。这里对电机“正转”和“反转”的约定是人为定义的，在实际工程项目中，工程师会根据机械结构的具体布置来灵活划分方向。

1. 正转状态

当我们需要电机正转时，四个开关的操控逻辑如下：

• 打开（导通）Q1 和 Q4。
• 关闭（关断）Q2 和 Q3。

在这种状态下，电流会从电源Vbat出发，流经Q1、电机M、Q4，最终形成回路。电流路径就像下图中用橙色线条高亮显示的路线，电机因此开始正向旋转。

2. 反转状态

若想让电机反转，我们需要切换开关的对角线组合：

• 关闭（关断）Q1 和 Q4。
• 打开（导通）Q2 和 Q3。

此时，电流的流向完全反转，它从Vbat出发，经过Q2、电机M、Q3后接地。下图中的橙色箭头清晰地展示了这一反向电流路径，电机随即开始反向转动。

3. 调速状态（PWM控制）

如何控制直流电机的转速呢？一种广泛应用的方法是利用PWM（脉宽调制）信号。假设我们想让电机在正转的基础上减速，可以这样操作：

• 保持Q2和Q3为关闭状态。
• 保持Q1为常开（导通）。
• 为Q4的栅极输入一个占空比为50%的PWM波形。

通过调节这个PWM波的占空比，就能改变电机两端的平均电压，从而实现平滑调速。当占空比调至100%时，等效于Q4一直导通，电机获得全速；当占空比降低时，平均电压下降，转速也随之降低。下图展示了在PWM控制下的电流流动情况。

4. 刹车/停止状态

让电机从转动状态快速停止是一个需要技巧的过程。我们以电机从正转切换到停止为例进行分析。

在正转时，Q1和Q4是导通的。如果突然同时关闭Q1和Q4，由于直流电机内部线圈是感性负载，电流不能突变，它会试图维持原来的方向继续流动。为了快速消耗掉这部分能量（即快速衰减电流），让电机迅速停下，通常有两种处理方式。

第一种：利用续流二极管与开关组合进行快速衰减

关闭Q1和Q4后，电感（电机）中维持的电流会通过MOSFET内部的体二极管（即原理图中的续流二极管D2和D3）形成续流回路。为了加快能量释放，可以在此状态下短暂地同时打开Q1和Q3。

如下图所示，电流的路径发生了变化，能量通过开关和电源内阻被快速消耗。

第二种：通过MOSFET内阻能耗制动

在准备停止时，我们关闭Q1，但同时打开Q2。此时，电流不会立即消失，而是会在Q2、电机M、Q4构成的环路中循环流动。这个环路的电阻主要来自于MOSFET的导通内阻，电流会通过这个内阻将电机的动能转化为热能消耗掉，从而实现制动。虽然速度可能比第一种方法稍慢，但也是一种有效的停止方式。

拓展：另一种常见的H桥配置

上文详细分析的是由四个N沟道MOSFET构成的H桥。在实际应用中，还有一种非常流行的组合：使用两个P沟道和两个N沟道MOSFET来搭建H桥。

上图中，Q1和Q2是P沟道MOSFET，Q3和Q4是N沟道MOSFET。桥臂上的这四个管子同样扮演着“开关”的角色。

相比全N-MOS管桥臂，这种“2P+2N”结构有一个突出优点：在合理的栅极控制逻辑下（需确保栅极信号不悬空），它可以更有效地避免上下桥臂同时导通的风险，即从根本上防止了电源到地的“直通”短路，从而提高了系统的可靠性。

如何控制这种H桥？

这需要了解两种MOS管的基本开关特性：

• P沟道MOSFET：通常在栅极（G）电压低于源极（S）电压一定值时导通（例如，G极为低电平0V时导通），栅极为高电平时关断。
• N沟道MOSFET：与P管相反，通常在栅极电压高于源极电压一定值时导通（例如，G极为高电平VCC时导通），栅极为低电平时关断。

正因为MOSFET是电压控制型器件，栅极几乎不消耗电流，使得驱动电路的设计相对灵活。

让我们看看如何实现正转：
当我们将“控制臂1”置为高电平（VCC），“控制臂2”置为低电平（0V）时：

• Q1 (P管，G极高电平) → 关闭
• Q2 (P管，G极低电平) → 导通
• Q3 (N管，G极低电平) → 关闭
• Q4 (N管，G极高电平) → 导通

此时，电流从电源VCC流出，经过导通的Q2、电机M、导通的Q4流向地。假设电流方向如图中箭头所示，我们即定义此时电机为正转。通过交换两个控制臂的电平，即可轻松实现反转。