郭艾華

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 淮安 223003)

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用于電機(jī)驅(qū)動芯片的高壓電荷泵電路設(shè)計*

郭艾華*

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 淮安 223003)

摘要:基于開關(guān)電容系統(tǒng)理論,提出了一種用于步進(jìn)電機(jī)芯片中H橋驅(qū)動電路的電荷泵電路。電路設(shè)計了零溫度系數(shù)的高壓壓差檢測電路、線形調(diào)制的反饋控制電路和泵電容充電電流控制電路。基于HHNEC 0.35 μm BCD工藝平臺進(jìn)行電路設(shè)計,并完成流片。測試結(jié)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(jié)果與設(shè)計目標(biāo)保持一致,證明了設(shè)計思想的正確性。

關(guān)鍵詞:電源管理;電荷泵;開關(guān)電容;步進(jìn)電機(jī)

基于開關(guān)電容技術(shù)的電荷泵以其低成本、低電磁干擾和高功率效率的優(yōu)良特性,廣泛用于各種芯片中的升壓電路模塊[1]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片主要包括控制電路,H橋驅(qū)動電路和電源管理模塊。其中,H橋柵極驅(qū)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(qū)動芯片寬輸入范圍的高電壓轉(zhuǎn)化為與輸入電壓成線性關(guān)系的升壓輸出電壓,如圖1所示。為了實現(xiàn)圖1所示的線性升壓關(guān)系,需要在電荷泵中設(shè)計特殊的反饋控制環(huán)路,以調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓。

在不同的應(yīng)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(fù)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(shè)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(yīng)用于高壓電路中的電荷泵設(shè)計。

圖1　線性升壓關(guān)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(diào)制模式,對電荷泵泵電容的充電電壓進(jìn)行了控制,電荷泵電路充放電過程平穩(wěn),輸出電壓跟隨輸入電壓線性變化,且電壓穩(wěn)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(guān)電容轉(zhuǎn)換器,主要由時鐘信號產(chǎn)生器、邏輯電路、MOSFET構(gòu)成的開關(guān)陣列、片內(nèi)或外接泵電容及其他一些外圍電路構(gòu)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(yīng)而產(chǎn)生高壓使電流由低電勢流向高電勢。在Dickson提出開關(guān)電容陣列作為儲能元件的基本思想啟發(fā)下,產(chǎn)生出兩相倍壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2　兩相倍壓器電路結(jié)構(gòu)

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(dāng)開關(guān)管S2、S3閉合,S1、S4斷開時,電路處于充電階段;當(dāng)開關(guān)管S1、S4閉合,S2、S3斷開時,電路處于放電階段。此電路結(jié)構(gòu)簡單,損耗低。但由于電路使用普通時鐘信號作為開關(guān)管控制信號,電路結(jié)構(gòu)不能用于高壓升壓電路之中,且受電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定,電路電壓增益不能改變。

2　新型電荷泵電路設(shè)計

2.1電路總體結(jié)構(gòu)

在兩倍壓電荷泵原理的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了高壓情況下的新型電荷泵電路設(shè)計,總體結(jié)構(gòu)如圖3所示,電路主要包括電荷泵轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路、電壓檢測比較電路、OSC振蕩器以及脈沖寬度調(diào)制電路。

圖3　新型電荷泵電路總體結(jié)構(gòu)圖

新型電荷泵電路中開關(guān)管采用采用新型功率MOSFET,電路的輸入和輸出電壓范圍達(dá)13 V～45 V。驅(qū)動器完成控制洗腦的移位功能,控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。電路中設(shè)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(jié)果作為線性調(diào)制電路的輸入信號,生成反饋信號。驅(qū)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(huán)路的控制下,輸出電壓跟隨輸入電壓線性變化,輸出電壓穩(wěn)定,紋波較低,符合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(zhǔn)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(chǎn)生的補(bǔ)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(zhuǎn)化為電流。PNP管發(fā)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(fā)射極之間的壓降VBE具有負(fù)溫度系數(shù)[8],為了消除負(fù)溫度系數(shù),引入補(bǔ)償電流VBE/R1,則

由上式可知,轉(zhuǎn)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?zé)o關(guān)。

圖4　輸出電壓壓差檢測電路圖

根據(jù)參考電壓VREF的大小,設(shè)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(shè)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(guān)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(diào)制電路與驅(qū)動器電路

壓差檢測電路的輸出結(jié)果,作為線性調(diào)制電路的輸入信號,與占空比為50%的時鐘信號進(jìn)行調(diào)制,輸出控制驅(qū)動器開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的信號。脈沖調(diào)制電路如圖6所示,電路采用線性調(diào)制的方式,獲得低紋波的輸出電壓。

圖6　線性調(diào)制電路圖

驅(qū)動器1、驅(qū)動器3、驅(qū)動器4分別為電平移位電路[9],將輸入的數(shù)字邏輯信號轉(zhuǎn)換為控制DMOS開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)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(guān)管采樣流過MN1的電流,并通過偏置電流控制充電電流。驅(qū)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(shè)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(dāng)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(qū)動器2中引入了負(fù)反饋結(jié)構(gòu),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(qū)動器2電路圖

合理設(shè)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(shè)置第一電容Cpump充電電壓大小。若將CP1點充電時最低電位設(shè)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(fù)載能力和轉(zhuǎn)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(bǔ)充電荷,輸出電壓上升;而在其他階段,輸出電容給負(fù)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(dāng)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(dāng)輸出電壓達(dá)到設(shè)計值,處于平衡狀態(tài)時,從泵電容轉(zhuǎn)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(yīng)相等。可以發(fā)現(xiàn),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(nèi),輸出電容一直為負(fù)載提供電荷。在本電路設(shè)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(zhuǎn)移到輸出電容上。如果MP1開關(guān)管和MP2開關(guān)管導(dǎo)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(zhuǎn)移到輸出電容上,將會進(jìn)一步限制電荷泵輸出電流的大小。

(3)電荷泵轉(zhuǎn)換效率

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

根據(jù)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(jié)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(shè)計與測試

基于國內(nèi)先進(jìn)的0.35 μm BCD工藝模型,電荷泵電路采用Cadence Spectre仿真工具進(jìn)行電路仿真,并完成電路版圖設(shè)計,如圖8所示。

圖8　版圖設(shè)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(jìn)行驗證,驗證結(jié)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(jié)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(jié)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(jī)驅(qū)動電路在流片后采用QFN48封裝,當(dāng)外接泵電容為0.22 μF、輸出電容為0.22 μF時,對電機(jī)驅(qū)動芯片的電荷泵電路輸出電壓進(jìn)行測試。電荷泵電路輸出電壓與輸入電壓關(guān)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(jié)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(shè)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(jié)論

本文首先介紹了電機(jī)驅(qū)動芯片的驅(qū)動電壓要求,分析了傳統(tǒng)電荷泵電路的電路結(jié)構(gòu)和原理,然后基于HHNEC0.35 μm BCD工藝,設(shè)計并實現(xiàn)了一種新型電荷泵電路,可應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動芯片等高壓驅(qū)動領(lǐng)域。本電荷泵電路設(shè)計了零溫度系數(shù)的高壓壓差檢測電路、線性調(diào)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(jié)果表明,電路工作正常,輸出電壓符合設(shè)計要求,驗證了電路的設(shè)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(jī)集成電路和軟件技術(shù),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(xiàn)標(biāo)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(yīng)用于安防領(lǐng)域具有1/4步微步細(xì)分功能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片項目(2012AZ201);淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院創(chuàng)新基金(project hxyc2013001)