用于电机驱动芯片的高压电荷泵电路设计*

郭艾华

(淮安信息职业技术学院,江苏 淮安 223003)



用于电机驱动芯片的高压电荷泵电路设计*

郭艾华*

(淮安信息职业技术学院,江苏 淮安 223003)

摘要:基于开关电容系统理论,提出了一种用于步进电机芯片中H桥驱动电路的电荷泵电路。电路设计了零温度系数的高压压差检测电路、线形调制的反馈控制电路和泵电容充电电流控制电路。基于HHNEC 0.35 μm BCD工艺平台进行电路设计,并完成流片。测试结果显示,电荷泵电路输出电压跟随输入电压线性变化,输出电压范围为13 V～41 V,纹波电压大小约为560 mV。所获结果与设计目标保持一致,证明了设计思想的正确性。

关键词:电源管理;电荷泵;开关电容;步进电机

基于开关电容技术的电荷泵以其低成本、低电磁干扰和高功率效率的优良特性,广泛用于各种芯片中的升压电路模块[1]。步进电机驱动芯片主要包括控制电路,H桥驱动电路和电源管理模块。其中,H桥栅极驱动电压则来自于电源管理模块中的电荷泵电路的升压输出电压。电荷泵电路将驱动芯片宽输入范围的高电压转化为与输入电压成线性关系的升压输出电压,如图1所示。为了实现图1所示的线性升压关系,需要在电荷泵中设计特殊的反馈控制环路,以调节和稳定输出电压。

在不同的应用场合,电荷泵的反馈检测电路和反馈控制模式也各不相同。目前的电压反馈检测电路主要采用电阻分压方式[2-3],并不适合高压电荷泵中的高压压差检测要求;反馈控制模式[3-5]种类多,控制复杂,对电路的反馈检测电路速度要求高,不适于高压电路中的电荷泵设计;低压电路中的电容充放电方式[6],在高压电路中启动效率低,启动时间长,放电时峰值电流大,不能应用于高压电路中的电荷泵设计。

图1　线性升压关系图

本文提出了一种包含特殊反馈检测电路的电荷泵电路,采用线性调制模式,对电荷泵泵电容的充电电压进行了控制,电荷泵电路充放电过程平稳,输出电压跟随输入电压线性变化,且电压稳定,纹波低。

1　两倍压电荷泵基本原理

电荷泵电路通常也称为开关电容转换器,主要由时钟信号产生器、逻辑电路、MOSFET构成的开关阵列、片内或外接泵电容及其他一些外围电路构成。最早的理想电荷泵模型是J.Dickson在1976年提出[7],其基本思想是通过电容对电荷的积累效应而产生高压使电流由低电势流向高电势。在Dickson提出开关电容阵列作为储能元件的基本思想启发下,产生出两相倍压器拓扑结构,如图2所示。

图2　两相倍压器电路结构

这是一个简单的两倍增益电荷泵电路,φ1、φ2是一组两相非交叠时钟信号,当开关管S2、S3闭合,S1、S4断开时,电路处于充电阶段;当开关管S1、S4闭合,S2、S3断开时,电路处于放电阶段。此电路结构简单,损耗低。但由于电路使用普通时钟信号作为开关管控制信号,电路结构不能用于高压升压电路之中,且受电路拓扑结构决定,电路电压增益不能改变。

2　新型电荷泵电路设计

2.1电路总体结构

在两倍压电荷泵原理的基础上,进行了高压情况下的新型电荷泵电路设计,总体结构如图3所示,电路主要包括电荷泵转换电路、驱动电路、电压检测比较电路、OSC振荡器以及脉冲宽度调制电路。

图3　新型电荷泵电路总体结构图

新型电荷泵电路中开关管采用采用新型功率MOSFET,电路的输入和输出电压范围达13 V～45 V。驱动器完成控制洗脑的移位功能,控制开关管的导通与关断。电路中设计高压压差检测电路,检测泵电容左极板电压和输出电压与电源电压的差值,并将检测结果作为线性调制电路的输入信号,生成反馈信号。驱动器2为电流控制电路,控制MN1管充电电流的大小,提高电路的启动效率。电路在反馈环路的控制下,输出电压跟随输入电压线性变化,输出电压稳定,纹波较低,符合步进电机驱动芯片的使用特点。

2.2压差检测比较电路

压差检测比较电路主要包括输出电压与电源电压压差检测电路和电源电压与泵电容左极板电压VCP1压差检测电路。

输出电压与电源电压的压差检测电路如图4所示。图4中VREF为带隙基准电压,VO为电荷泵输出电压,Vin为电荷泵输入电压,VBE/R1是由偏置电流源产生的补偿电流。鉴于输出电压Vo变化范围大,检测电路使用能够承受高压的PNP管将输出电压与输入电压的压差转化为电流。PNP管发射极连接电荷泵输出电压Vo,PNP管基极连接电源电压Vin,PNP管集电极连接电阻R2。由于三极管的基极与发射极之间的压降VBE具有负温度系数[8],为了消除负温度系数,引入补偿电流VBE/R1,则

由上式可知,转换电压V01与输出电压与输入电压的差值以及电阻R2和R1的比例呈正比,和温度等其他因素无关。

图4　输出电压压差检测电路图

根据参考电压VREF的大小,设置R2和R1的比例大小,即完成了对输出电压Vo检测门限电压大小的设定:

电源电压Vin与第一电容左极板电压VCP1压差检测电路如图5所示。与输出电压检测类似,

在获得V01与(VBB-VCP1)的线性关系的同时,亦可得到公式

图5　泵电容左极板电压压差检测电路图

2.3线性调制电路与驱动器电路

压差检测电路的输出结果,作为线性调制电路的输入信号,与占空比为50%的时钟信号进行调制,输出控制驱动器开关管导通与关断的信号。脉冲调制电路如图6所示,电路采用线性调制的方式,获得低纹波的输出电压。

图6　线性调制电路图

驱动器1、驱动器3、驱动器4分别为电平移位电路[9],将输入的数字逻辑信号转换为控制DMOS开关管的导通与关断的栅极电平。

为了控制泵电容充电阶段的充电电流,电路中额外加入一个M1开关管采样流过MN1的电流,并通过偏置电流控制充电电流。驱动器2如图7所示,图7中R1=M×R2,MN1和M1的宽长比的比例为N,电路设计中电阻R1和R2阻值很小,R2×Ir2≪VTH。由于电阻R1和R2较小,故晶体管当电阻R2上压降大于电阻R1上压降时,则晶体管Q2流过电流大于晶体管Q1流过电流,由于MP1和MP2流过的饱和电流相等,则晶体管Q2的集电极电位VG降低,流过M1的电流减小,电阻R2上的压降下降。驱动器2中引入了负反馈结构,使得电阻R1和R2上的压降大小相等。

则流过MN1电流大小即为

ICP1=IREF×(M-1)×(N+1)

图7　驱动器2电路图

合理设置IREF电流大小,电阻R2和R1大小比例以及MN1管M1管宽长比比例,即可得到理想的充电电流,配合VCP1电压检测模块,可以较好的设置第一电容Cpump充电电压大小。若将CP1点充电时最低电位设置为VCP1min=Vin-10 V,将泵电容上存储的电荷量控制为输出电容上存储电荷量的两倍,可减小放电阶段的峰值电流,提高了电荷泵启动阶段效率[10]。

2.4纹波、负载能力和转换效率分析

(1)电荷泵输出电压纹波大小

在放电阶段,电荷泵输出电容补充电荷,输出电压上升;而在其他阶段,输出电容给负载提供电荷,输出电压下降。电荷泵输出电压纹波大小由电荷泵工作频率1/T、输出电流值Iout和输出电容值Cout共同决定:

其中,t放电时间受到输出电压反馈电路控制,当Iout固定后,t放电时间也随之确定。

(2)电荷泵输出电流能力

理想情况下,当输出电压达到设计值,处于平衡状态时,从泵电容转移到输出电容的电荷量ΔQ1与输出电容释放掉的电荷量ΔQ1应相等。可以发现,仅在充电阶段过程中,泵电容才能从电源处获取的电荷量,其值由充电电流和充电时间决定,而在整个周期时间内,输出电容一直为负载提供电荷。在本电路设计中,

但是,上式的成立需要满足一个条件,即放电阶段过程中,泵电容从电源处获取的电荷量必须全部转移到输出电容上。如果MP1开关管和MP2开关管导通电阻之和过大,则在有限的放电过程中,泵电容获取的电荷量无法全部转移到输出电容上,将会进一步限制电荷泵输出电流的大小。

(3)电荷泵转换效率

对于图2所示的没有经过调制的电荷泵来说,能量的损失会出现在开关管的导通电阻,开关损耗。如果是经过调制的电荷泵,其效率决定于输出电压或电流[11]。根据电荷守恒定律,可以求出电荷泵的电源利用效率。

根据式得出,电荷泵电源利用效率由输入电压决定,同时输出电压也由输入电压决定,因此得出结论:输出电压越小,效率越高;输出电压越大,则效率降低。

3　版图设计与测试

基于国内先进的0.35 μm BCD工艺模型,电荷泵电路采用Cadence Spectre仿真工具进行电路仿真,并完成电路版图设计,如图8所示。

图8　版图设计

图9　电荷泵启动过程效率曲线

对电荷泵电路的启动效率进行验证,验证结果如图9所示。图9中,曲线1为含有CP1点电压钳位电路的电荷泵启动效率后仿真结果,曲线2为没有CP1点电压钳位电路的电荷泵启动效率后仿真结果。随着电源电压Vin越来越高,电荷泵电路整体效率逐渐变低,在加入控制泵电容电荷量和充电电流电路后,在高电源电压下电荷泵启动时效率明显提升25%左右。

电机驱动电路在流片后采用QFN48封装,当外接泵电容为0.22 μF、输出电容为0.22 μF时,对电机驱动芯片的电荷泵电路输出电压进行测试。电荷泵电路输出电压与输入电压关系如图10所示,输出电压跟随输入电压线性变化。输出纹波和频率如图11所示,测试结果表明,电荷泵输出电压周期为30 μs,纹波电压大小为560 mV,符合设计的要求。

图10　输出电曲线输出电压Vo/V

图11　输出电压测试波形

4　结论

本文首先介绍了电机驱动芯片的驱动电压要求,分析了传统电荷泵电路的电路结构和原理,然后基于HHNEC0.35 μm BCD工艺,设计并实现了一种新型电荷泵电路,可应用于电机驱动芯片等高压驱动领域。本电荷泵电路设计了零温度系数的高压压差检测电路、线性调制电路和功率表晶体管的充电电流控制电路,能够较高效率地生成低纹波电压。最后的流片测试结果表明,电路工作正常,输出电压符合设计要求,验证了电路的设计思想。

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郭艾华(1979-),男,汉族,安徽亳州任,硕士,讲师,研究方向为计算机集成电路和软件技术,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

中图分类号:TN432

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0645-05

收稿日期:2014-02-17修改日期:2014-03-12

项目来源:应用于安防领域具有1/4步微步细分功能的步进电机驱动芯片项目(2012AZ201);淮安信息职业技术学院创新基金(project hxyc2013001)