談?wù)勲姍C控制芯片設(shè)計的霍爾效應(yīng)

　　實際應(yīng)用中，常用于PC 散熱等用途的直流無刷電機，由于外部障礙物等因素，可能異常停止運轉(zhuǎn)。電機控制芯片需要通過霍耳傳感器對磁場相位監(jiān)測，判別異常停轉(zhuǎn)情況，及時關(guān)閉電機并延時重啟，以便電機能夠恢復正常工作。

　　圖1 給出了霍耳效應(yīng)芯片的設(shè)計框圖，由霍耳感應(yīng)單元得到與磁場變換相關(guān)的電壓信號，經(jīng)放大器放大及磁滯比較器判別，控制邏輯監(jiān)測電機的運行狀態(tài)，做出 關(guān)斷或延時自啟動等功能，功率輸出管驅(qū)動外部電機工作。

　　圖1 霍耳效應(yīng)芯片的系統(tǒng)框圖

　　通常，電機需要在較寬的電壓范圍工作。在本設(shè)計中，目標要求芯片能夠工作在 3.3V~28V 的電壓范圍，并且當電機控制電壓高于54.7V 時，將輸出電壓鉗位防 止燒毀電機。

　　芯片工作電壓由其內(nèi)部電壓源產(chǎn)生，而常見的帶隙基準很難在這樣寬的電壓范圍內(nèi)正常的工作。因此，設(shè)計中采用三極管時代流行的齊納二極管鉗位方法產(chǎn)生電 壓源，如圖2 所示。這種電壓源可以在很寬的電壓范圍工作，但也有電流消耗較 大，且輸出隨電源電壓、溫度變化較大等諸多缺點。所幸在電機應(yīng)用中，這些缺點是次要的。

　　當電壓VIN 高于齊納管的反向擊穿電壓(一般約為6~7V，這里取6.5V)后，Vz 電壓被鉗制在6.5V，R1 起到限流的作用。而VIN 低于6.5V 而高于一定值，M1 也可以導通，使得VCC 有電壓，同樣可使內(nèi)部電路工作。其中，M1,M2,M3 皆為 高壓器件。經(jīng)過適當設(shè)計，該電壓源可以在3V~65V 之間工作。

　　圖2 內(nèi)部電壓源的產(chǎn)生

　　霍耳感應(yīng)單元常用的形狀和工藝材料等有多種，此設(shè)計使用正方形外形并基于無 特殊摻雜的CMOS 工藝。 在圖3 左圖中，電流自+Vs 流向地端，磁場垂直于該片面，則將在方形的另外兩頂點之間會形成霍耳電壓Vo1。而通過開關(guān)控制，在下一時刻，電流流向及霍耳電壓取向改為右圖所示，這樣也能夠消除硅片的壓電電 阻(⊿R)效應(yīng)。這樣較其他設(shè)計中常見的采用2 個或4 個霍耳感應(yīng)單元消除壓電 電阻效應(yīng)的方法更省面積，復雜度也有所減小。

　　圖3 霍耳感應(yīng)單元

　　感應(yīng)的霍耳電壓經(jīng)過放大器放大和磁滯比較器輸出相應(yīng)的數(shù)字信號，交由芯片控制邏輯部分處理。為克服電機工作中的意外停止，本設(shè)計包含了防鎖死及自動重啟機制。該機制根據(jù)比較器輸出信號相位的改變進行邊沿監(jiān)測、計數(shù)、重置等工 作，與其他邏輯信號來判斷芯片的工作狀態(tài)。

　　圖4 防鎖死重啟電路及時序

　　防鎖死重啟電路及時序如圖4 所示，CompA 經(jīng)過延遲后與延遲之前信號進行異或運算，即可監(jiān)測出脈沖邊緣變化。若使用1MHz 的時鐘信號，計數(shù)器持續(xù)計數(shù)到2^18=262,144us 時，電路進入鎖死狀態(tài)。21 位計數(shù)器繼續(xù)工作直到溢出，其間 時間差為2^21-2^18=1,835,008us，約1.8 秒后嘗試重啟，直到電機正常工作。

　　作為電機控制芯片，設(shè)計要求對輸出功率管的開關(guān)按照一定邏輯順序進行，并且需要監(jiān)視防鎖死重啟電路的輸出，以及控制功率管的死區(qū)(dead zone)時間等。 這些功能由芯片邏輯控制部分完成，該部分簡化電路如圖5 所示。Comp 信號為 經(jīng)過處理的磁滯比較器的輸出，Osc 信號來自振蕩器，H_peak 信號是計數(shù)器的輸 出，Reset 及其反信號是重啟動控制信號。當正常工作時，開關(guān)SW1 及SW3 有效; 當系統(tǒng)需要重啟動時，開關(guān)SW2 及SW4 有效。由En 信號控制開關(guān)組選擇芯片處 于正常狀態(tài) 或是重啟動狀態(tài)，En 信號電平由防鎖死重啟邏輯判斷給出。

　　圖5 控制邏輯簡化電路圖

　　輸出驅(qū)動及保護電路如圖6 所示，芯片 片內(nèi)部分由驅(qū)動電路、輸出功率管、電壓鉗位二極管構(gòu)成。由于輸出功率管尺寸較大，需要驅(qū)動電路使其正常工作。其驅(qū) 動電路通常有串接的反向器串組成，且尺寸逐級增大。當VIN 過高時，可能燒毀 輸出功率管或電機，這里電壓鉗位二極管串將Vout 鉗制在最高允許電壓。若要 求最高電壓為54.7V, 齊納二極管正向和反向?qū)妷悍謩e為0.7V 和6.5V, 那 么以3 個正向和8 個反向齊納二極管串接，則鉗位電壓約在3×0.7+8×6.5+ 0.6=54.7V。

　　圖 6 輸出驅(qū)動及保護電路

　　完成的芯片版圖如圖7 所示。該芯片采用0.5um, 雙層金屬，65V 高壓CMOS 工藝實現(xiàn)。經(jīng)過測試，該芯片可以正常工作在2.8～28V 范圍，平均輸出電流可達 400mA。當電源電壓為24V 時，電流損耗為1.8mA，芯片面積650um×1140um。

　　圖7 霍耳效應(yīng)電機控制芯片版圖