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谈谈电机控制芯片设计的霍尔效应

  1879 年,马里兰州立大学研究生霍耳发现:沿x 方向流过的电流受到其垂直方 向(z 方向)的磁场作用时,带电离子会受到y 方向的磁力影响而产生电势积累, 这就是霍耳效应。其中产生的电势差被称为霍耳电压。由于变化的磁场会产生变化的电场,那么,利用霍耳效应做磁场监测是可行的,事实上也是目前普遍采取的方法。基于霍耳效应的传感-控制芯片广泛应用在电机控制、手机、电流及磁 场测量等领域。

  实际应用中,常用于PC 散热等用途的直流无刷电机,由于外部障碍物等因素,可能异常停止运转。电机控制芯片需要通过霍耳传感器对磁场相位监测,判别异常停转情况,及时关闭电机并延时重启,以便电机能够恢复正常工作。

  图1 给出了霍耳效应芯片的设计框图,由霍耳感应单元得到与磁场变换相关的电压信号,经放大器放大及磁滞比较器判别,控制逻辑监测电机的运行状态,做出 关断或延时自启动等功能,功率输出管驱动外部电机工作。

  通常,电机需要在较宽的电压范围工作。在本设计中,目标要求芯片能够工作在 3.3V~28V 的电压范围,并且当电机控制电压高于54.7V 时,将输出电压钳位防 止烧毁电机。

  芯片工作电压由其内部电压源产生,而常见的带隙基准很难在这样宽的电压范围内正常的工作。因此,设计中采用三极管时代流行的齐纳二极管钳位方法产生电 压源,如图2 所示。这种电压源可以在很宽的电压范围工作,但也有电流消耗较 大,且输出随电源电压、温度变化较大等诸多缺点。所幸在电机应用中,这些缺点是次要的。

  当电压VIN 高于齐纳管的反向击穿电压(一般约为6~7V,这里取6.5V)后,Vz 电压被钳制在6.5V,R1 起到限流的作用。而VIN 低于6.5V 而高于一定值,M1 也可以导通,使得VCC 有电压,同样可使内部电路工作。其中,M1,M2,M3 皆为 高压器件。经过适当设计,该电压源可以在3V~65V 之间工作。

  霍耳感应单元常用的形状和工艺材料等有多种,此设计使用正方形外形并基于无 特殊掺杂的CMOS 工艺。 在图3 左图中,电流自+Vs 流向地端,磁场垂直于该片面,则将在方形的另外两顶点之间会形成霍耳电压Vo1。而通过开关控制,在下一时刻,电流流向及霍耳电压取向改为右图所示,这样也能够消除硅片的压电电 阻(⊿R)效应。这样较其他设计中常见的采用2 个或4 个霍耳感应单元消除压电 电阻效应的方法更省面积,自锁步进电机复杂度也有所减小。

  感应的霍耳电压经过放大器放大和磁滞比较器输出相应的数字信号,交由芯片控制逻辑部分处理。为克服电机工作中的意外停止,本设计包含了防锁死及自动重启机制。该机制根据比较器输出信号相位的改变进行边沿监测、计数、重置等工 作,与其他逻辑信号来判断芯片的工作状态。

  防锁死重启电路及时序如图4 所示,CompA经过延迟后与延迟之前信号进行异或运算,即可监测出脉冲边缘变化。若使用1MHz 的时钟信号,计数器持续计数到2^18=262,144us 时,电路进入锁死状态。21 位计数器继续工作直到溢出,其间 时间差为2^21-2^18=1,835,008us,约1.8 秒后尝试重启,直到电机正常工作。

  作为电机控制芯片,设计要求对输出功率管的开关按照一定逻辑顺序进行,并且需要监视防锁死重启电路的输出,以及控制功率管的死区(dead zone)时间等。 这些功能由芯片逻辑控制部分完成,该部分简化电路如图5 所示。Comp 信号为 经过处理的磁滞比较器的输出,Osc 信号来自振荡器,H_peak 信号是计数器的输 出,Reset 及其反信号是重启动控制信号。当正常工作时,开关SW1 及SW3 有效; 当系统需要重启动时,开关SW2 及SW4 有效。由En 信号控制开关组选择芯片处 于正常状态 或是重启动状态,En 信号电平由防锁死重启逻辑判断给出。

  输出驱动及保护电路如图6 所示,芯片 片内部分由驱动电路、输出功率管、电压钳位二极管构成。由于输出功率管尺寸较大,需要驱动电路使其正常工作。其驱 动电路通常有串接的反向器串组成,且尺寸逐级增大。当VIN 过高时,可能烧毁 输出功率管或电机,这里电压钳位二极管串将Vout 钳制在最高允许电压。若要 求最高电压为54.7V, 齐纳二极管正向和反向导通电压分别为0.7V 和6.5V, 那 么以3 个正向和8 个反向齐纳二极管串接,则钳位电压约在3×0.7+8×6.5+ 0.6=54.7V。

  完成的芯片版图如图7 所示。该芯片采用0.5um, 双层金属,65V 高压CMOS 工艺实现。经过测试,该芯片可以正常工作在2.8~28V 范围,平均输出电流可达 400mA。当电源电压为24V 时,电流损耗为1.8mA,芯片面积650um×1140um。

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