AT8236电机驱动电路原理详解

1. 引言：电机驱动的基石

电机作为现代工业和日常生活中不可或缺的执行元件，其精确、高效的控制离不开电机驱动电路。无论是简单的玩具车、复杂的机器人，还是精密的工业自动化设备，电机驱动器都扮演着“大脑与肌肉”之间的桥梁角色。它们接收来自微控制器（MCU）等控制单元发出的低功耗信号，并将其转换为足以驱动电机运转所需的高电流和高电压。

AT8236是一款专为直流有刷电机设计的单通道H桥驱动芯片，以其集成度高、保护功能完善和驱动能力强等特点，在许多应用中得到了广泛应用。理解AT8236的电路原理，不仅有助于我们更好地利用这款芯片进行设计，更能深入理解电机驱动技术的核心。

2. AT8236芯片概述及其核心特性

AT8236是一款高效能的直流有刷电机驱动器，它能够以双向方式控制电机，并支持高达6A的峰值电流输出和4A的连续电流输出。这使得它非常适用于需要较大驱动电流的应用场景。该芯片集成了多项关键技术，旨在简化设计、提高系统可靠性并优化能效。

核心特性：

• 单通道H桥电机驱动器： 这是其最基础也是最重要的特性。H桥结构是驱动直流有刷电机实现正反转和调速的基石。AT8236内部集成了构成H桥所需的功率MOSFET，大大简化了外部电路设计。

• 宽电压供电范围： AT8236支持5.5V至36V的宽电压输入，这使其能够兼容多种电源电压，从低压电池供电到较高电压的工业应用都能胜任。宽电压范围为设计者提供了极大的灵活性，能够适应不同的电机工作电压。

• 低导通电阻（RDS(ON)）： 内部功率MOSFET的低导通电阻（典型值为200mΩ，HS+LS）是其高效率的关键。导通电阻越低，MOSFET在导通时产生的热量就越少，从而降低了功率损耗，提高了整体效率，并减少了对散热的需求。

• 高驱动能力： 4A的连续驱动电流和6A的峰值驱动电流使其能够驱动各种中等功率的直流有刷电机，满足了多数机器人、自动化设备等应用的需求。峰值电流能力对于电机启动和负载变化时的瞬间大电流冲击至关重要。

• PWM控制接口： AT8236支持脉宽调制（PWM）信号输入，通过调节PWM信号的占空比，可以精确地控制电机的转速。这是一种高效且常用的调速方式，可以实现平滑的加速和减速。

• 集成同步整流功能： 传统的H桥在MOSFET关断时，电流会通过续流二极管回流，这会造成额外的功率损耗。AT8236集成了同步整流功能，即在续流阶段通过导通适当的MOSFET来代替续流二极管，从而显著降低了系统功耗，提高了效率。

• 完善的内部保护功能： 这款芯片内置了多种保护机制，大大增强了系统的鲁棒性和可靠性。这些保护功能包括：

• 过流保护（OCP）： 当输出电流超过设定阈值时，芯片会自动关断输出，保护电机和驱动器本身不被过载或短路损坏。

• 短路保护（SCP）： 专门用于检测和保护输出端到地或输出端之间的短路情况，及时切断电源，避免器件烧毁。

• 欠压锁定（UVLO）： 当供电电压低于芯片正常工作的最低电压时，芯片会进入保护状态，防止在电压不足时驱动电机导致不稳定或损坏。

• 过温保护（OTP）： 当芯片内部温度过高时（例如长时间大电流工作或散热不良），芯片会关断输出以防止热损坏，并在温度恢复正常后自动恢复工作。

• ESOP8封装： AT8236采用带有裸露焊盘的ESOP8封装。这种封装形式有利于将芯片内部产生的热量通过焊盘传导到PCB上的大面积铜箔，从而有效改善散热性能，确保芯片在较高功率下稳定工作。

3. H桥驱动原理：电机控制的核心

要理解AT8236的工作原理，首先必须深入了解H桥（H-bridge）电路。H桥是直流有刷电机驱动电路的核心，它能够控制电流的方向，从而实现电机的正转、反转、刹车和滑行（或称空转、惯性停车）等状态。

H桥基本结构：

一个典型的H桥由四个开关（通常是功率MOSFET或BJT晶体管）组成，它们像字母“H”一样排列，电机连接在H的横杆位置。这四个开关通常分为高侧开关（连接电源正极）和低侧开关（连接地）。

假设开关为S1、S2、S3、S4，电机M连接在S1/S3之间和S2/S4之间。

       VM+
        |
       S1 --+-- S2
        |   |   |
        |   M   |
        |   |   |
       S3 --+-- S4
        |
       GND

H桥工作模式：

通过控制这四个开关的导通与截止，可以实现不同的电机控制模式：

• 正转（Forward）：

• 原理： 导通S1和S4，关闭S2和S3。电流从VM+通过S1流入电机一端，从电机另一端通过S4流向GND。电机将按一个方向旋转。

• 电流路径： VM+ -> S1 -> 电机 -> S4 -> GND

• 反转（Reverse）：

• 原理： 导通S2和S3，关闭S1和S4。电流从VM+通过S2流入电机一端（与正转时方向相反），从电机另一端通过S3流向GND。电机将按相反方向旋转。

• 电流路径： VM+ -> S2 -> 电机 -> S3 -> GND

• 刹车/制动（Brake）：

• 原理1（低侧刹车）： 导通S3和S4，关闭S1和S2。此时电机两端被短路到地。电机内部的感应电动势会产生一个反向电流，迅速消耗动能，使电机快速停止。

• 电流路径： 电机两端被S3和S4短路到GND

• 原理2（高侧刹车）： 导通S1和S2，关闭S3和S4。此时电机两端被短路到VM+。与低侧刹车类似，同样能实现快速制动。

• 滑行/空转（Coast/Sleep）：

• 原理： 关闭所有四个开关（S1、S2、S3、S4）。或者只导通S1和S3，或S2和S4。此时电机两端处于开路状态或都被连接到同一电位，没有电流流过电机，电机依靠惯性自由转动，逐渐停止。AT8236的“Coast”模式通常指将所有开关关断，使电机两端悬空。

• 电流路径： 无有效电流回路。

PWM调速原理：

H桥不仅能控制方向，还能通过PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）技术实现电机速度的精确控制。PWM通过快速地开关电机供电，改变施加在电机上电压的有效值，从而控制电机转速。

• 占空比： PWM信号的占空比是指在一个周期内高电平持续时间占总周期的比例。例如，50%占空比意味着在一个周期内，信号有一半时间是高电平，一半时间是低电平。

• 调速：

• 当PWM信号的占空比增加时，电机获得高电压的时间更长，平均电压升高，转速加快。

• 当PWM信号的占空比减小时，电机获得高电压的时间更短，平均电压降低，转速减慢。

AT8236通过接收外部的PWM信号来控制其内部H桥的开关状态，进而实现电机的精确调速。通常，一个输入引脚（如IN1或IN2）用于接收PWM信号，另一个引脚用于控制方向。

4. AT8236电机驱动电路原理图分析（通用概念）

由于无法提供具体的AT8236内部详细原理图（这属于芯片厂商的知识产权），我们主要从其应用的角度来分析其外部连接和内部功能模块的简化原理。AT8236作为一款高度集成的H桥驱动IC，其外部电路相对简单。

核心引脚及其功能：

尽管具体的引脚名称可能因封装和芯片版本略有不同，但AT8236这类电机驱动芯片通常包含以下几类核心引脚：

• 电源引脚：

• VM (Motor Supply Voltage)： 电机供电电压输入引脚，连接到外部电源（如电池或直流电源），范围通常为5.5V-36V。

• GND (Ground)： 地线引脚，电路的参考电位。

• VCC/VDD (Logic Supply Voltage)： 逻辑部分供电电压引脚，通常为低压（如3.3V或5V），为芯片内部的数字逻辑电路供电。有时VM和VCC可能共用一个电源输入，芯片内部进行降压。

• 控制输入引脚：

• 例如：

• IN1=高，IN2=低：正转

• IN1=低，IN2=高：反转

• IN1=高，IN2=高：刹车（通常为低侧刹车，即电机两端短路到地）

• IN1=低，IN2=低：滑行（或休眠/低功耗模式）

• 若要PWM调速，通常PWM信号施加在一个输入引脚上（例如IN1），另一个引脚（IN2）保持低电平以确定方向（如正转），或者PWM信号施加到EN（使能）引脚上。AT8236的描述表明其通过PWM控制IN1和IN2来实现调速和方向控制。

• IN1, IN2 (Input Control)： 这是一对控制H桥输出状态的逻辑输入引脚。通过不同组合的高低电平，以及其中一个引脚的PWM信号，来控制电机的正转、反转、刹车和速度。

• 电机输出引脚：

• OUT1, OUT2 (Motor Output)： 连接到直流有刷电机的两个端子。芯片内部H桥的功率MOSFET的开关动作直接驱动这两个引脚，向电机提供电流。

• 保护和状态引脚：

• FAULT (Fault Output)： 故障指示引脚。当芯片发生过流、短路、过温或欠压等故障时，该引脚会输出一个特定的电平（通常是低电平），用于向微控制器报告故障状态。这对于系统监控和故障排除非常重要。

• EN (Enable)： 使能引脚。通常为高电平时芯片工作，低电平时芯片进入低功耗休眠模式。通过该引脚可以方便地控制整个驱动器的开启和关闭。

• 参考电压引脚（VREF）： 部分驱动器会提供一个参考电压输入，用于设定电流限制阈值。AT8236数据手册中提到VREF用于设定PWM输入频率。

典型应用电路图概念：

一个基于AT8236的典型电机驱动应用电路会包含以下几个主要部分：

1. 电源部分：

• 主电源VM： 为电机提供大电流的电源，需要有足够的功率余量。通常在VM引脚附近会放置一个大容量的电解电容（如100uF或更大），用于滤波和提供瞬时大电流，以应对电机启动或负载变化时的电流冲击，减小电源纹波。

• 逻辑电源VCC/VDD： 为芯片内部逻辑电路供电，通常需要一个较小的去耦电容（如0.1uF或1uF）靠近芯片引脚放置，用于滤除高频噪声，稳定逻辑电源。

• 防反接保护： 为了防止电源接反损坏芯片，可以在VM输入端串联一个肖特基二极管或使用MOSFET组成的防反接电路。

• 输入滤波： 在VM输入端通常还会放置一个陶瓷电容，用于进一步滤除高频噪声。

2. 控制信号输入部分：

• 微控制器连接： IN1和IN2引脚通常直接连接到微控制器的GPIO（通用输入输出）引脚。微控制器根据程序逻辑，向这两个引脚输出高低电平或PWM信号。

• 上拉/下拉电阻： 根据芯片的默认状态和微控制器的输出能力，可能需要在IN1、IN2和EN引脚上添加上拉或下拉电阻，以确保在微控制器未初始化或输出高阻态时，芯片处于预期的安全状态。

3. 电机连接部分：

• 输出端OUT1、OUT2： 直接连接到直流有刷电机的两个引脚。通常会使用接线端子方便连接。

• 续流二极管（如果芯片内部没有同步整流）： 对于没有内置同步整流功能的H桥芯片，为了保护功率MOSFET免受电机感性负载在换向时产生的反向电动势（反峰电压）冲击，需要在H桥的每个MOSFET两端反向并联一个快速恢复二极管（也称续流二极管或飞轮二极管）。然而，AT8236内置了同步整流，因此外部通常无需再添加续流二极管，这进一步简化了电路。

4. 保护功能实现：

• 故障输出FAULT： FAULT引脚通常连接到微控制器的中断引脚或GPIO引脚，以便微控制器能够实时监测驱动器的健康状态。当FAULT信号有效时，微控制器可以执行相应的错误处理程序，如停止电机、报警等。

• 过流保护/过温保护： 这些保护功能由芯片内部电路自动实现，无需外部元器件。当触发保护时，芯片会自动关断H桥输出，并在条件解除后尝试恢复（具体恢复机制需参考数据手册）。

5. 散热设计：

• AT8236采用ESOP8封装，其底部裸露焊盘是关键的散热通道。在PCB设计时，务必将该焊盘连接到大面积的铜铺地（GND），并通过大量的过孔（Via）连接到PCB的内层和背面铜层，以形成有效的散热路径。在需要大电流驱动时，可能还需要在PCB上设计散热片或通过强制风冷来辅助散热。PCB的铜厚和铜面积对散热性能有显著影响。

5. AT8236内部功能模块简化原理

虽然我们无法看到AT8236的完整内部电路图，但可以根据其功能推测其内部主要包含以下几个模块：

• H桥功率级： 这是芯片的核心，由四个高压、大电流的功率MOSFET组成。这些MOSFET的导通和截止状态由控制逻辑单元精确控制，负责向电机输出电流。

• 栅极驱动器（Gate Driver）： H桥中的MOSFET需要特定的电压和电流来快速、有效地导通和截止。栅极驱动器就是负责为这些MOSFET的栅极提供合适的驱动信号。特别是高侧MOSFET的栅极驱动，通常需要“自举（Bootstrap）”电路来提供高于电源电压的驱动电压。

• 控制逻辑单元： 接收来自IN1、IN2（和EN）等引脚的逻辑输入信号，并根据这些信号以及内部保护状态，生成正确的栅极驱动信号，从而控制H桥的开关动作。这个逻辑单元还负责解析PWM信号，实现转速控制。

• 电流检测单元： 内部集成了电流检测电路，用于实时监测流经H桥的电流。当电流超过预设的过流阈值时，该单元会触发过流保护机制，关断H桥输出。

• 温度检测单元： 内部集成了温度传感器，用于监测芯片的结温。当结温超过预设的过温阈值时，触发过温保护。

• 欠压锁定单元（UVLO）： 监测VM和/或VCC电源电压。当电源电压低于安全工作阈值时，UVLO电路会禁用H桥驱动，防止芯片在不稳定电压下工作。

• 稳压器（如果集成）： 如果芯片只用一个VM供电，那么内部可能包含一个低压差稳压器（LDO），用于从VM生成VCC，为内部逻辑电路供电。

6. AT8236电机驱动电路设计考量与优化

在设计基于AT8236的电机驱动电路时，除了遵循基本的连接原则外，还需要考虑以下几个关键因素，以确保电路的性能、稳定性和可靠性：

A. 电源完整性与去耦

• 大容量电容： 在VM引脚附近务必放置至少一个100uF或更大容量的低ESR（等效串联电阻）电解电容，以及一个0.1uF到1uF的陶瓷电容。电解电容用于提供电机在启动、加速或负载突变时所需的瞬态大电流，防止电源电压跌落；陶瓷电容则用于滤除高频噪声，保持电源的洁净。这些电容应尽可能靠近芯片的VM和GND引脚放置。

• 逻辑电源去耦： 在VCC/VDD引脚附近放置一个0.1uF的陶瓷去耦电容，用于稳定逻辑电源，确保数字信号的准确性。

• 电源路径设计： 从电源连接器到AT8236的VM引脚，以及到电机输出OUT1/OUT2再到GND的电流路径，应尽可能宽、短，以减小走线电阻和电感，降低电压降和噪声。

B. 信号完整性与EMC

• 控制信号走线： 连接微控制器到IN1、IN2和EN引脚的走线应尽量短，并远离大电流路径，以减少噪声耦合。

• PWM频率： 选择合适的PWM频率至关重要。过低的频率可能导致电机转动不平滑（“嗡嗡”声或抖动），而过高的频率会增加开关损耗，导致芯片发热。通常，PWM频率在10kHz到50kHz之间是一个较好的折衷点，具体取决于电机特性和应用需求。AT8236支持高达100kHz的PWM频率。

• 布线隔离： 强电流回路（VM、OUT1、OUT2、GND）和弱信号控制回路（IN1、IN2、EN、FAULT）应该在PCB布局上进行物理隔离，尽量避免平行走线，以减少电磁干扰（EMI）。

• 地线规划： 采用“星形接地”或“一点接地”原则，将大电流地和信号地在电源的公共地处汇合，避免地环路噪声。将芯片的裸露焊盘可靠地连接到大面积的地平面，既有利于散热，也有利于EMC性能。

• 共模扼流圈/磁珠： 在某些对EMC要求严格的应用中，可以在电机输出线上串联共模扼流圈或铁氧体磁珠，以抑制电机运行时产生的电磁噪声。

C. 热管理

• PCB布局： AT8236的ESOP8封装底部的裸露焊盘是其主要的散热途径。在PCB设计时，必须在芯片下方设计大面积的铜铺地（Heat Sink Pad），并通过足够多的热过孔（Thermal Vias）将其连接到PCB的其他层（如背面地平面），以有效扩散芯片产生的热量。

• 铜厚与层数： 增加PCB的铜厚（例如使用2oz铜而非1oz铜）或增加PCB层数（利用内层铜平面进行散热）可以显著改善散热性能。

• 环境温度与负载： 设计时需充分考虑设备的工作环境温度和电机长时间工作的平均电流。在极限条件下（高温、大电流）进行热分析或实际测试，确保芯片温度在安全范围内。如果必要，可以考虑添加外部散热片或风扇。

D. 保护功能利用

• 故障反馈： 将AT8236的FAULT引脚连接到微控制器的中断或GPIO，并编写相应的软件代码来处理故障事件。例如，当检测到FAULT信号时，立即停止电机，并给出报警提示，以保护系统。

• 上电顺序： 在系统上电时，确保逻辑电源（VCC/VDD）先于电机电源（VM）建立，并在断电时，VM先于VCC/VDD消失。这有助于防止芯片在不确定状态下工作。

E. 效率优化

• PWM频率和死区时间： 高效率的PWM控制需要优化的PWM频率和合适的死区时间（Dead Time）。死区时间是H桥上下管切换时，为避免直通（即上管和下管同时导通造成短路）而设置的短暂延迟。AT8236内部已对死区时间进行了优化。

• 同步整流： AT8236内置同步整流功能，这大大降低了续流损耗。确保该功能正常发挥作用，无需外部续流二极管。

7. AT8236与微控制器的接口示例

在实际应用中，AT8236通常与微控制器（如Arduino、STM32、Raspberry Pi等）配合使用。微控制器负责生成控制信号，AT8236则负责执行这些信号并驱动电机。

接口示例概念：

假设我们使用一个微控制器来控制一个连接到AT8236的直流电机：

• 电源连接：

• AT8236的VM引脚连接到电机电源（例如12V电池）。

• AT8236的VCC/VDD引脚连接到微控制器的逻辑电源（例如5V或3.3V）。

• AT8236的GND引脚与微控制器的GND共地。

• 控制信号连接：

• 微控制器的PWM输出引脚（例如一个定时器输出引脚）连接到AT8236的IN1引脚。

• 微控制器的另一个GPIO引脚连接到AT8236的IN2引脚，用于控制方向。

• 微控制器的另一个GPIO引脚连接到AT8236的EN引脚，用于使能/禁用驱动器。

• 反馈连接：

• AT8236的FAULT引脚连接到微控制器的中断输入引脚或一个普通的GPIO引脚，用于监测故障。

控制逻辑举例：

假设IN1接PWM，IN2接数字信号，EN接高电平使能。

(注：具体的IN1/IN2逻辑关系可能因芯片设计有所差异，请务必参照AT8236的官方数据手册确认其逻辑表。上表为常见的H桥驱动逻辑示例。根据查询到的AT8236信息，其PWM控制方式为：IN1=PWM，IN2=0 为前进PWM；IN1=1，IN2=PWM 为前进PWM慢衰减；IN1=0，IN2=PWM 为后退PWM快衰减；IN1=PWM，IN2=1 为后退PWM慢衰减。IN1=0，IN2=0 为空转/休眠；IN1=1，IN2=1 为刹车。因此上述表格需要根据实际数据手册进行微调以确保准确性。)

软件编程思路：

微控制器中的软件程序会包含以下核心部分：

1. GPIO初始化： 配置连接到AT8236的GPIO引脚为输出模式，并初始化其状态（例如EN为高，IN1/IN2为低，使电机处于滑行或停止状态）。

2. PWM配置： 配置微控制器的定时器模块以生成所需的PWM信号，设定PWM频率和初始占空比。

3. 方向控制函数： 编写函数来设置IN1和IN2的状态，以实现正转、反转和刹车。

4. 速度控制函数： 编写函数来修改PWM信号的占空比，从而改变电机转速。

5. 故障处理中断： 配置FAULT引脚为中断输入，当FAUL引脚状态变化时（例如从高到低），触发中断服务程序，在程序中读取故障状态，并执行相应的保护措施。

8. 实际电路设计与PCB布局建议

在将理论转化为实际的电路板时，PCB布局的质量直接影响到驱动电路的性能和可靠性。

A. 功率路径设计：

• 宽而短的走线： 从电源输入（VM）到芯片，再到电机输出（OUT1、OUT2），以及回流到地的路径，应使用尽可能宽的铜走线。这可以降低电阻和电感，减少电压降和功率损耗。对于大电流路径，应考虑使用较厚的铜箔（如2oz或3oz）。

• 电源环路最小化： VM到GND的电流环路，以及H桥的开关电流环路（例如S1-M-S4-GND）应尽可能小。紧凑的布局有助于减少辐射干扰和瞬态电压尖峰。

B. 信号路径设计：

• 远离功率路径： 逻辑控制信号（IN1、IN2、EN、FAULT）的走线应远离大电流的功率走线，以避免噪声耦合。

• 地线参考： 所有信号走线都应该有一个清晰的地线参考路径，最好是下方有完整的地平面。

• 去耦电容放置： 所有去耦电容（特别是VM和VCC旁的）应尽可能靠近芯片的对应引脚放置，缩短其连接路径，以发挥最佳的滤波效果。

C. 热管理优化：

• 热焊盘连接： AT8236的底部裸露焊盘必须与PCB上的大面积铜平面（通常是地平面）良好连接。

• 热过孔： 在裸露焊盘下方均匀地放置足够多的热过孔（通常直径0.3mm-0.4mm），并将它们连接到PCB的其他层（特别是背面地平面），以形成高效的散热通道。过孔数量越多，散热效果越好。

• 铜面积： 增加芯片周围以及整个PCB上地平面的铜面积，有助于将热量从芯片扩散开来。

• 避免热阻塞： 避免在热流路径上放置过多的发热元件或狭窄的走线，以免阻碍热量散发。

D. 元件选择：

• 电容： 选择ESR（等效串联电阻）和ESL（等效串联电感）较低的电容，特别是对于电源滤波电容。

• 连接器： 选用能够承受电机最大电流的连接器和导线，避免因接触电阻过大导致发热或压降。

• 热敏电阻（可选）： 在一些对温度要求更高的应用中，可以在PCB上放置一个热敏电阻，实时监测环境或芯片附近温度，作为辅助的过温保护或风扇控制。

9. 总结与展望

AT8236作为一款功能强大且集成度高的直流有刷电机驱动芯片，极大地简化了电机控制电路的设计。其内部集成的H桥、栅极驱动、同步整流以及完善的保护功能，使其在机器人、智能小车、自动化设备等领域拥有广阔的应用前景。

通过对AT8236芯片概述、H桥驱动原理、典型应用电路概念以及设计考量和优化建议的深入探讨，我们希望能帮助您全面理解AT8236电机驱动电路的工作原理。在实际设计中，务必结合AT8236的官方数据手册，仔细核对引脚定义、电气特性和推荐的应用电路，并进行严格的测试和验证，以确保设计的成功和系统的稳定可靠。

随着技术的不断发展，未来的电机驱动芯片将更加注重能效、智能化和小型化。它们可能会集成更高级的控制算法、更精确的电流采样、更灵活的通信接口以及更先进的封装技术，以适应日益多样化和高性能的电机控制需求。对基础驱动原理的深刻理解，将是应对这些未来挑战的关键。