用于電機驅動芯片的高壓電荷泵電路設計*

郭艾華

(淮安信息職業技術學院,江蘇 淮安 223003)

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用于電機驅動芯片的高壓電荷泵電路設計*

郭艾華*

(淮安信息職業技術學院,江蘇 淮安 223003)

摘要:基于開關電容系統理論,提出了一種用于步進電機芯片中H橋驅動電路的電荷泵電路。電路設計了零溫度系數的高壓壓差檢測電路、線形調制的反饋控制電路和泵電容充電電流控制電路?；贖HNEC 0.35 μm BCD工藝平臺進行電路設計,并完成流片。測試結果顯示,電荷泵電路輸出電壓跟隨輸入電壓線性變化,輸出電壓范圍為13 V～41 V,紋波電壓大小約為560 mV。所獲結果與設計目標保持一致,證明了設計思想的正確性。

關鍵詞:電源管理;電荷泵;開關電容;步進電機

基于開關電容技術的電荷泵以其低成本、低電磁干擾和高功率效率的優良特性,廣泛用于各種芯片中的升壓電路模塊[1]。步進電機驅動芯片主要包括控制電路,H橋驅動電路和電源管理模塊。其中,H橋柵極驅動電壓則來自于電源管理模塊中的電荷泵電路的升壓輸出電壓。電荷泵電路將驅動芯片寬輸入范圍的高電壓轉化為與輸入電壓成線性關系的升壓輸出電壓,如圖1所示。為了實現圖1所示的線性升壓關系,需要在電荷泵中設計特殊的反饋控制環路,以調節和穩定輸出電壓。

在不同的應用場合,電荷泵的反饋檢測電路和反饋控制模式也各不相同。目前的電壓反饋檢測電路主要采用電阻分壓方式[2-3],并不適合高壓電荷泵中的高壓壓差檢測要求;反饋控制模式[3-5]種類多,控制復雜,對電路的反饋檢測電路速度要求高,不適于高壓電路中的電荷泵設計;低壓電路中的電容充放電方式[6],在高壓電路中啟動效率低,啟動時間長,放電時峰值電流大,不能應用于高壓電路中的電荷泵設計。

圖1　線性升壓關系圖

本文提出了一種包含特殊反饋檢測電路的電荷泵電路,采用線性調制模式,對電荷泵泵電容的充電電壓進行了控制,電荷泵電路充放電過程平穩,輸出電壓跟隨輸入電壓線性變化,且電壓穩定,紋波低。

1　兩倍壓電荷泵基本原理

電荷泵電路通常也稱為開關電容轉換器,主要由時鐘信號產生器、邏輯電路、MOSFET構成的開關陣列、片內或外接泵電容及其他一些外圍電路構成。最早的理想電荷泵模型是J.Dickson在1976年提出[7],其基本思想是通過電容對電荷的積累效應而產生高壓使電流由低電勢流向高電勢。在Dickson提出開關電容陣列作為儲能元件的基本思想啟發下,產生出兩相倍壓器拓撲結構,如圖2所示。

圖2　兩相倍壓器電路結構

這是一個簡單的兩倍增益電荷泵電路,φ1、φ2是一組兩相非交疊時鐘信號,當開關管S2、S3閉合,S1、S4斷開時,電路處于充電階段;當開關管S1、S4閉合,S2、S3斷開時,電路處于放電階段。此電路結構簡單,損耗低。但由于電路使用普通時鐘信號作為開關管控制信號,電路結構不能用于高壓升壓電路之中,且受電路拓撲結構決定,電路電壓增益不能改變。

2　新型電荷泵電路設計

2.1電路總體結構

在兩倍壓電荷泵原理的基礎上,進行了高壓情況下的新型電荷泵電路設計,總體結構如圖3所示,電路主要包括電荷泵轉換電路、驅動電路、電壓檢測比較電路、OSC振蕩器以及脈沖寬度調制電路。

圖3　新型電荷泵電路總體結構圖

新型電荷泵電路中開關管采用采用新型功率MOSFET,電路的輸入和輸出電壓范圍達13 V～45 V。驅動器完成控制洗腦的移位功能,控制開關管的導通與關斷。電路中設計高壓壓差檢測電路,檢測泵電容左極板電壓和輸出電壓與電源電壓的差值,并將檢測結果作為線性調制電路的輸入信號,生成反饋信號。驅動器2為電流控制電路,控制MN1管充電電流的大小,提高電路的啟動效率。電路在反饋環路的控制下,輸出電壓跟隨輸入電壓線性變化,輸出電壓穩定,紋波較低,符合步進電機驅動芯片的使用特點。

2.2壓差檢測比較電路

壓差檢測比較電路主要包括輸出電壓與電源電壓壓差檢測電路和電源電壓與泵電容左極板電壓VCP1壓差檢測電路。

輸出電壓與電源電壓的壓差檢測電路如圖4所示。圖4中VREF為帶隙基準電壓,VO為電荷泵輸出電壓,Vin為電荷泵輸入電壓,VBE/R1是由偏置電流源產生的補償電流。鑒于輸出電壓Vo變化范圍大,檢測電路使用能夠承受高壓的PNP管將輸出電壓與輸入電壓的壓差轉化為電流。PNP管發射極連接電荷泵輸出電壓Vo,PNP管基極連接電源電壓Vin,PNP管集電極連接電阻R2。由于三極管的基極與發射極之間的壓降VBE具有負溫度系數[8],為了消除負溫度系數,引入補償電流VBE/R1,則

由上式可知,轉換電壓V01與輸出電壓與輸入電壓的差值以及電阻R2和R1的比例呈正比,和溫度等其他因素無關。

圖4　輸出電壓壓差檢測電路圖

根據參考電壓VREF的大小,設置R2和R1的比例大小,即完成了對輸出電壓Vo檢測門限電壓大小的設定:

電源電壓Vin與第一電容左極板電壓VCP1壓差檢測電路如圖5所示。與輸出電壓檢測類似,

在獲得V01與(VBB-VCP1)的線性關系的同時,亦可得到公式

圖5　泵電容左極板電壓壓差檢測電路圖

2.3線性調制電路與驅動器電路

壓差檢測電路的輸出結果,作為線性調制電路的輸入信號,與占空比為50%的時鐘信號進行調制,輸出控制驅動器開關管導通與關斷的信號。脈沖調制電路如圖6所示,電路采用線性調制的方式,獲得低紋波的輸出電壓。

圖6　線性調制電路圖

驅動器1、驅動器3、驅動器4分別為電平移位電路[9],將輸入的數字邏輯信號轉換為控制DMOS開關管的導通與關斷的柵極電平。

為了控制泵電容充電階段的充電電流,電路中額外加入一個M1開關管采樣流過MN1的電流,并通過偏置電流控制充電電流。驅動器2如圖7所示,圖7中R1=M×R2,MN1和M1的寬長比的比例為N,電路設計中電阻R1和R2阻值很小,R2×Ir2?VTH。由于電阻R1和R2較小,故晶體管當電阻R2上壓降大于電阻R1上壓降時,則晶體管Q2流過電流大于晶體管Q1流過電流,由于MP1和MP2流過的飽和電流相等,則晶體管Q2的集電極電位VG降低,流過M1的電流減小,電阻R2上的壓降下降。驅動器2中引入了負反饋結構,使得電阻R1和R2上的壓降大小相等。

則流過MN1電流大小即為

ICP1=IREF×(M-1)×(N+1)

圖7　驅動器2電路圖

合理設置IREF電流大小,電阻R2和R1大小比例以及MN1管M1管寬長比比例,即可得到理想的充電電流,配合VCP1電壓檢測模塊,可以較好的設置第一電容Cpump充電電壓大小。若將CP1點充電時最低電位設置為VCP1min=Vin-10 V,將泵電容上存儲的電荷量控制為輸出電容上存儲電荷量的兩倍,可減小放電階段的峰值電流,提高了電荷泵啟動階段效率[10]。

2.4紋波、負載能力和轉換效率分析

(1)電荷泵輸出電壓紋波大小

在放電階段,電荷泵輸出電容補充電荷,輸出電壓上升;而在其他階段,輸出電容給負載提供電荷,輸出電壓下降。電荷泵輸出電壓紋波大小由電荷泵工作頻率1/T、輸出電流值Iout和輸出電容值Cout共同決定:

其中,t放電時間受到輸出電壓反饋電路控制,當Iout固定后,t放電時間也隨之確定。

(2)電荷泵輸出電流能力

理想情況下,當輸出電壓達到設計值,處于平衡狀態時,從泵電容轉移到輸出電容的電荷量ΔQ1與輸出電容釋放掉的電荷量ΔQ1應相等?？梢园l現,僅在充電階段過程中,泵電容才能從電源處獲取的電荷量,其值由充電電流和充電時間決定,而在整個周期時間內,輸出電容一直為負載提供電荷。在本電路設計中,

但是,上式的成立需要滿足一個條件,即放電階段過程中,泵電容從電源處獲取的電荷量必須全部轉移到輸出電容上。如果MP1開關管和MP2開關管導通電阻之和過大,則在有限的放電過程中,泵電容獲取的電荷量無法全部轉移到輸出電容上,將會進一步限制電荷泵輸出電流的大小。

(3)電荷泵轉換效率

對于圖2所示的沒有經過調制的電荷泵來說,能量的損失會出現在開關管的導通電阻,開關損耗。如果是經過調制的電荷泵,其效率決定于輸出電壓或電流[11]。根據電荷守恒定律,可以求出電荷泵的電源利用效率。

根據式得出,電荷泵電源利用效率由輸入電壓決定,同時輸出電壓也由輸入電壓決定,因此得出結論:輸出電壓越小,效率越高;輸出電壓越大,則效率降低。

3　版圖設計與測試

基于國內先進的0.35 μm BCD工藝模型,電荷泵電路采用Cadence Spectre仿真工具進行電路仿真,并完成電路版圖設計,如圖8所示。

圖8　版圖設計

圖9　電荷泵啟動過程效率曲線

對電荷泵電路的啟動效率進行驗證,驗證結果如圖9所示。圖9中,曲線1為含有CP1點電壓鉗位電路的電荷泵啟動效率后仿真結果,曲線2為沒有CP1點電壓鉗位電路的電荷泵啟動效率后仿真結果。隨著電源電壓Vin越來越高,電荷泵電路整體效率逐漸變低,在加入控制泵電容電荷量和充電電流電路后,在高電源電壓下電荷泵啟動時效率明顯提升25%左右。

電機驅動電路在流片后采用QFN48封裝,當外接泵電容為0.22 μF、輸出電容為0.22 μF時,對電機驅動芯片的電荷泵電路輸出電壓進行測試。電荷泵電路輸出電壓與輸入電壓關系如圖10所示,輸出電壓跟隨輸入電壓線性變化。輸出紋波和頻率如圖11所示,測試結果表明,電荷泵輸出電壓周期為30 μs,紋波電壓大小為560 mV,符合設計的要求。

圖10　輸出電曲線輸出電壓Vo/V

圖11　輸出電壓測試波形

4　結論

本文首先介紹了電機驅動芯片的驅動電壓要求,分析了傳統電荷泵電路的電路結構和原理,然后基于HHNEC0.35 μm BCD工藝,設計并實現了一種新型電荷泵電路,可應用于電機驅動芯片等高壓驅動領域。本電荷泵電路設計了零溫度系數的高壓壓差檢測電路、線性調制電路和功率表晶體管的充電電流控制電路,能夠較高效率地生成低紋波電壓。最后的流片測試結果表明,電路工作正常,輸出電壓符合設計要求,驗證了電路的設計思想。

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郭艾華(1979-),男,漢族,安徽亳州任,碩士,講師,研究方向為計算機集成電路和軟件技術,guoaihua79@163.com。

DesignofaHighVoltageChargePumpCircuitforMotorDrivers*

GUOAihua*

(Huaian College of Information Technology,Huai’an Jiangsu 223003,China)

Abstract:Based on switched capacitor system theory,a charge pump was designed,which could provide supply voltage for motor driver ICs.To achieve the goal,a zero temperature coefficient high voltage difference detection circuit,feedback circuits and current control circuits were designed.Simulation based on HHNEC 0.35 μm BCD process had been completed and the chip was fabricated.Experimental results demonstrate that the output voltage varies linear with the input voltage and the ripple voltage is as lower as 560 mV.The result is consistent with the goal of the project and it proves the correctness of the project plan.

Key words:power management;charge pump;switch capacitor;stepper motor

doi:EEACC:8110;834010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.014

中圖分類號:TN432

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0645-05

收稿日期:2014-02-17修改日期:2014-03-12

項目來源:應用于安防領域具有1/4步微步細分功能的步進電機驅動芯片項目(2012AZ201);淮安信息職業技術學院創新基金(project hxyc2013001)