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1.1小车驱动电路的功能需求分析 本次设计主要用于驱动小车的前进，后退功能。驱动电路主要包括直流电源模块、封锁信号处理模块、PWM信号处理模块、死区生成时间模块、MOSFET驱动模块、H桥主电路模块六个模块组成。直流电源模块是指从J1接入电源产生分别为7.2V，5V，12V的电源。封锁信号处理模块是指输入MCU SD信号，经过两个与非门输出幅值为5V的同相位SD信号。PWM信号处理模块是指MCU PWM信号经过两个与非门分别产生幅值为5V相位互补的MCU PWM1与MCU PWM2信号。死区生成时间模块是指由RC组成的充放电电路与PWM信号连接与门，产生与原信号延迟输入的的相位关系。MOSFET驱动模块主要由PWM1A与PWM2A为IR2110输入信号，驱动MOSFET导通或截至。H桥主电路模块主要由四个MOSFET组成，在PWM1A为高电平时Q1与Q4导通，PWM2A为高电平时Q2与Q3导通。 1.2电路原理图设计 1.2电路原理图总设计图
1.2.1直流电源模块
直流电源模块是指从J1接入直流电源经过电容C1与DC2滤波，输出7.2V电源，经过电阻R7和发光LED接地，显示通电是否正常。7.2V电源经滤波电容DC3接入LM2940S-5.0芯片产生5V电源，5V电源经过C2，DC5，DC6电容滤波给IR2110驱动芯片与CD74HCT00逻辑芯片供电，5V经过C4电容滤波接入BO512S_1WR2芯片产生12V电压，12V电源经过C5，C7滤波为自举电容充电及为IR2110提供VCC电压。由图中资料显示可以看出，在LM2940芯片中输入端部份滤波电容为0.47uF，输出端最小为22uF，在这里我们选用100uF。在B_D-1WR2芯片中，输入端部份滤波电容为4.7uF。 1.2.2信号封锁信号处理模块 信号封锁信号处理模块主要包括从单片机输出的MCU SD封锁信号，输入到CD74HCT00逻辑芯片，经过两个与非门，产生与输入信号形状相同但幅值为5V的DRIVE SD信号。不直接输入到IR2110而是先经过与非门的原因是从单片机输出的PWM信号幅值为3.3V，不足以驱动IR2110，通过与非门提高其幅值。在电机电流过大或电机非正常运行时，由单片机发出封锁处理信号，通过IR2110芯片关闭PWM信号输出，制停电机，避免损坏电机及电路。 1.2.3输入PWM信号处理模块 输入PWM信号处理模块主要包括从单片机输出的MCU PWM信号输入到CD74HCT00逻辑芯片中，经过一个与非门产生与输入相位相反幅值为5V的MCU PWM2信号，再经过一个与非门产生一个与输入信号相位相同的幅值为5V的MCU PWM1信号。通过与非门产生PWM信号的原因之一产生相位互补的两路PWM信号，原因之二与封锁信号处理模块类似，由于从单片机输出的PWM信号幅值仅为3.3V，不足以驱动IR2110芯片，通过与非门提高其幅值。 1.2.3死区生成时间模块 死区生成时间模块主要包括由CD74HCT08芯片构成，由RC组成的充放电电路与PWM信号连接与门，产生与原信号延迟输入的的相位关系，延迟时间即为死区时间，防止上下桥臂同时导通，导致电源短路。 死区时间计算如下：  (1) (2) 已知死区时间t为500-900ns，  ，查手册知  ，τ为978-1761.8，查手册可知CD74HCT08输入电流最大为4mA，计算可得R最小为1.25KΩ，取R为2KΩ，由 计算可得，C取1nF最为合适。此时死区时间大概为1000ns左右。 1.2.4 MOSFET驱动模块 MOSFET驱动模块主要利用逻辑芯片CD74HCT08产生的两路相位互补的PWM信号输入到HIN引脚与LIN引脚作为IR2110的输入信号；CD74HCT00产生的封锁信号DRIVE SD控制芯片IR2110的工作状态。正常工作状态时，HO与LO输出相应PWM信号驱动MOSFET开关。封锁状态时，HO与LO无输出。 IR2110主要引脚功能如下 Vb，Vs：提供高压端供电 HO：高压端驱动输出 LO：低压端驱动输出 VCC，COM：提供低压端供电 HIN：逻辑高端输出 LIN：逻辑低端输出 IR2110工作原理如下： 当HIN为高电平时，V1管开通，V2管关断，VC3加到Q1的栅极和源极之间，C3通过V1，R3和栅极和源极形成回路放电，这时C3就相当于一个电压源，从而使Q1导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号，所以此时LIN为低电平，V3关断，V4导通，这时聚集在Q2栅极和源极的电荷在芯片内部通过R4迅速对地放电，由于死区时间影响使Q2在Q1开通之前迅速关断。 当HIN为低电平时，V1关断，V2导通，这时聚集在Q1栅极和源极的电荷在芯片内部通过R1迅速放电使Q1关断。经过短暂的死区时间LIN为高电平，V3导通，V4关断使VCC经过R4和S2的栅极和源极形成回路，使Q2开通。在此同时VCC经自举二极管，C3和Q2形成回路，对C1进行充电，迅速为C1补充能量，如此循环反复。 自举电容计算如下： 自举电容必须能提供不低于MOSFET管栅极电荷导通所需的电荷，并且在高端主开关器件开通期间保持其电压。工程估算公式如下： 其中：查手册知  -MOSFET门极电荷nC；  -充电电源电压为12V；  -下半桥MOSFET导通栅极电压查手册知为2.2V；  -  与  之间的最小电压查手册知为7.5V；  -自举快恢复二极管的正相管压降为1.3V。 带入数据得： 工程上，再保留一定的余量，取估值的2-3倍。  =500nF。 自举电阻的估算： 自举电阻  应满足： 查IR2110数据手册t=10ns 工程上，再取估算值的2倍左右，  1.2.5 H桥主电路模块 H桥主电路模块主要由4个MOSFET构成，电源电压为7.2V，由芯片IR2110输出的PWM波控制管子导通与关断，Q1,Q4所加PWM信号相同，Q2,Q3所加PWM信号相同，两路信号相位互补（不考虑死区时间）。 1.3 PCB图绘制 (1)新建一个文件夹，创建工程，保存工程。添加原理图文件与PCB文件，保存文件到目标文件夹下。 (2)绘制原理图。在元件库中找到相应元件放置并连接，模块连接可使用网络标号。在画原理图时，如果没有的器件根据芯片说明书自行设计元件库文件或是封装库文件。所有元件完成放置，标好原件值并连接好后，可利用自动标号功能对所有原件进行标号。对所有元件逐一添加封装，并确定所有原件PCB封装正确。检查元件之间的是否正确连接以及是否有虚连。可用compile document 功能检测部分错误。 （3）画PCB图。添加PCB文件。首先设置原点，设置规则线宽为30mil，然后把层切换到Keep out layer从原点画一个长为2550mil宽为1800mil的范围。然后确定PCB图板的大小，板长设置为2550mil,板宽设置为3000mil。对长度进行适当放宽。接着进行打孔，孔的外部矩形尺寸长设置为330mil，宽设置为200mil，内部槽的长度设置为290mil，线宽设置为130mil。然后进行手动布局，手动布局一般按照先大后小的原则摆放，然后按照在周围的元件放在其周围，通过旋转元件使元件之间的线最短。布局好所有原件后开始手动布线，与电动机直接相连的MOTN与MOTP，以及直接与MOSFET相连的7.2V与GND线的需要流过大电流的必须使用120mil线宽，其余用线宽30mil布线。完全布线后可进行DRC电气检查，检测无误后对大电流线路进行开窗，然后对顶层跟底层进行地网络覆铜，最后确定板子大小。
2.1电路板元件焊接 电路板焊接要依照先小后大先低后高的顺序，在焊接有镀锡的地方时需要在周围先镀锡在焊接焊锡尽量少一点避免虚焊。有极性的元件一定要先确定好极性，再进行焊接。烙铁头如果沾锡可以沾下松香，让锡快速流下。表贴芯片焊的时候可以先在各引脚点上一定锡，然后把表贴芯片放在上面，用烙铁头依次按压各引脚使锡融化，与引脚相接。注意一定要确保每一个引脚都按压到。避免虚焊。
2.2波形调试 2.2.1直流电源模块 用万用表的电阻档，确认钮子开关处于断开状态。将小车电池连线接入驱动电路板。用万用表的直流电压档，确认电路板电池接线端子处的电压为7.2V，且极性正确。拨动钮子开关，通电，发光二极管亮。用示波器Ch1依次测LM2940S-5.0的1引脚与3引脚，观察其波形，均为平直波形，1引脚电压值为7.2V左右，3引脚电压值为5V左右，证明LM2940-5.0工作正常。 用Ch1依次测B0512S-1WR2的2引脚与4引脚，观察其波形，均为平直波形，2引脚电压值为5V左右，4引脚电压值为12V左右，证明B0512S-1WR2工作正常。 2.2.2 PWM信号处理模块 来自单片机的MCU PWM输入信号、MCU SD封锁信号通过CD74HCT00芯片至驱动电路板。修改单片机程序，使其持续输出固定占空比为60%的PWM信号给驱动电路。下载程序，运行。用Ch1测芯片输入端（即U4A的9引脚），Ch2依次测第一个与非门的输出（即U4A的8引脚）、第二个与非门的输出（即U4A的11引脚），观察波形，对比所得第一个与非门输出PWM信号与输入信号MCU_PWM之间的相位相反幅值升至5V，第二个与非门输出PWM信号与输入信号MCU_PWM之间的相位相同且幅值至5V，证明与非门工作正常。 用Ch1测第一个与非门（U4A的8引脚）的输出、Ch2测第二个与非门（U4A的11引脚）的输出，观察两路为互补的PWM控制信号，幅值为5V。 2.2.3封锁信号处理单元 来自单片机的MCU SD输入信号、MCU SD封锁信号通过CD74HCT00芯片至驱动电路板。修改单片机程序，使其持续输出固定占空比为60%的PWM信号给驱动电路。下载程序，运行。用Ch1测芯片输入端（即U4A的1引脚），Ch2测第二个与非门的输出（即U4A的6引脚），观察波形，对比所得SD信号与输入信号MCU SD之间相位相同。 2.2.4死区生成时间模块 死区生成时间模块主要由CD74HCT08芯片构成，由RC组成的充放电电路与PWM信号连接与门。用Ch1测与门输入端（即U1A的1引脚）的PWM信号，Ch2测与门输出端（即U1A的3引脚）的信号。测量两个信号上升沿之间的时间差（即死区时间）。死区时间为640ns，满足500到900范围。对另一路PWM信号，重复上述操作。死区时间为620ns，满足要求。 用Ch1测与门输出端（即U1A的3引脚）的PWM信号，Ch2测与门连接RC的输入端信号（即U1A的1引脚）。由该波形，确定使得与门输出电平翻转电压值为1.4V。有设计图可知，在翻转电压为2V时死区时间为1000ns左右，由于实际翻转电压为1.4V，因此死区时间比设计的要短，为640ns。用Ch1测第一个与门的输出（即U1A的3引脚）、Ch2测第二个与门（即U1A的6引脚）的输出观察其波形相位互补，不考虑死去时间。幅值为5V左右。可以看出波形中间有间隙，即为死区时间。 2.2.5 MOSFET驱动模块 设置单片机程序，使单片机输出合适的封锁信号MCU_SD，让IR2110处于正常工作状态，而不是封锁。下载程序，运行。用Ch1测IR2110芯片引脚LIN（即U1的12引脚）的输入信号，Ch2测IR2110芯片引脚HIN（即U1的10引脚）的输入信号，其信号波形与上图相同，互补且幅值为5V。用Ch1测IR2110芯片LIN引脚（即U1的12引脚）的输入信号，Ch2测IR2110芯片LO引脚（即U1的1引脚）的输出信号，两个信号的波形形状、占空比应相同，输入端电压幅值为5V左右，输出端电压幅值为12.4V左右，因为没有接MOSFET，LO端高电平接近Vcc（12V）。 用Ch1、Ch2测两个IR2110芯片的LO引脚（即U1的1引脚）信号波形，两者波形互补，电压幅值均为12.4V左右。 2.2.6 H 桥主电路 驱动电路板通电，用Ch1测IR2110芯片LO引脚（即U1的1引脚）信号，Ch2测IR2110芯片引脚HO（即U1的7引脚）信号，LO电压幅值为12.4V左右，HO波形幅值为18.8V左右。有上述设计图可知，LO的电压值等于Vcc减去内部管子管压降，由于实际Vcc大于12V，所以LO电压大于12V符合预期；HO的电压值等于Vcc加上7.2V电源减去MOSFET管压降再减去内部管子管压降，由于实际Vcc大于12V，7.2V电源电压高于7.2V，所以HO电压为18.8V符合预期。 3.单片机程序设计与小车行驶实验 3.1前进与后退行驶
为了实现自傲车的前进后退功能，利用定时器2并允许中断，设置定时时间为5ms，定义i小于1000时，运行Motor_PWM1函数即占空比为60%，小车前进；同理，i在1000到1500时，运行为占空比为50%的函数，小车停车2.5s;i在1500到2500时，运行占空比为40%函数，小车倒车5s，最后停车。 3.2PWM频率的修改 首先定义三个管脚P0_1,P0_2,P0_3作为PWM波三种状态下的三个信号输出口。在i从0到1000时，利用定时器1，定时时间5ms，一共10份，周期即为50ms，所以通过改变定时器时间即可改变频率。通过PWM1所占份数，即可改变占空比为 。同理在i不同的范围内，输出不同的PWM波，实现小车前进后退与停车。 4.结论 为期两周的电力电子设计，首先是在画原理图跟PCB图，又让我重新熟悉了一下AD的使用方法，最主要的收获就是一定要认真，在画原理图一定要保证所有先都准确连接。检查网络标号是否返回到有效位置，然后画PCB时封装一定要保证完全正确，避免在板子做出来后没法焊的情况。画PCB时还不要忘了也要看原理图，把主要连接记下来，在摆放元件时把离得近的放在一起减短导线长度。回忆芯片管脚到底也没有接线，应该接什么电阻，如果觉得不对劲，立刻检查原理图。然后就是在板子回来后的焊接与调试，焊接的时候一定要保证有极性的方向。在本次焊接时，板子中的一个51欧电阻焊成了51K的电阻，结果在测波形的时候，电解电容直接爆炸，也算是为自己的不细心付出了代价。通过本次设计，首先让我更加深刻了解课本知识，过程中遇到的一些问题和疑惑，都经过组长和同学的讲解得到了解答。也使我了解到一些实际与理论之间的差异，深知自己的不足，需要我们更加认真严谨。
Altium Designer画的原理图和PCB图如下：(51hei附件中可下载工程文件)
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