基于霍耳效应的电机控制芯片设计
实际应用中,例如常用于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。那么,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给出了本设计中霍耳效应 电机控制 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。
图1 霍耳效应 芯片的系统框图
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。
图2 内部电压源的产生
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（ΔR)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,复杂度也有所减小。
图3 霍耳感应单元
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。根据实际情况,在典型情况下可以将工作点设为30高斯,释放点设为-30高斯,磁滞宽度为60高斯。
磁滞比较器的输出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终止,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。
图4 防锁死重启电路及时序
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218=262,144μs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221-218=1,835,008μs,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。
图5 控制逻辑简化电路图
