基于霍耳效應的電機控制芯片設計

摘要：本文論述了基于霍耳效應傳感芯片的電路設計，并以0.5μm, 雙層金屬，65V高壓CMOS工藝實現(xiàn)。電路實現(xiàn)了包括磁滯，防相位鎖死與自動重啟動等功能，采用脈沖寬度調制控制方式，并注意了功率輸出管的電壓鉗位，以及減少尖峰電流的發(fā)生。
關鍵詞：霍耳效應；電機控制；自動重啟；脈沖寬度調制

　　1879年，霍耳發(fā)現(xiàn)：沿x方向流過的電流受到其垂直方向（z方向）的磁場作用時，帶電離子會受到y(tǒng)方向的磁力影響而產生電勢積累，這就是霍耳效應。其中產生的電勢差稱為霍耳電壓。由于變化的磁場會產生變化的電場，那么，利用霍耳效應做磁場監(jiān)測是可行的，事實上也是目前普遍采取的方法。基于霍耳效應的傳感-控制芯片廣泛應用在電機控制、手機、電動車、電流及磁場測量等領域。

　　實際應用中，例如常用于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。那么，電機控制芯片需要通過霍耳傳感器對磁場相位監(jiān)測，判別異常停轉情況，及時關閉電機并延時重啟，以便電機能夠恢復正常工作。

　　圖1給出了本設計中霍耳效應電機控制芯片的設計框圖，由霍耳感應單元得到與磁場變換相關的電壓信號，經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)，做出關斷或延時自啟動等功能，功率輸出管驅動外部電機工作。

圖1 霍耳效應芯片的系統(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部電壓源產生，而常見的帶隙基準很難在這樣寬的電壓范圍內正常的工作。因此，設計中采用三極管時代流行的齊納二極管鉗位方法產生電壓源，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，同樣可使內部電路工作。其中，M1,M2,M3皆為高壓器件。經過適當設計，該電壓源可以在3V~65V之間工作。

圖2 內部電壓源的產生

　　霍耳感應單元常用的形狀和工藝材料等有多種，此設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（ΔR)效應。這樣較其他設計中常見的采用2個或4個霍耳感應單元消除壓電電阻效應的方法更省面積，復雜度也有所減小。

圖3 霍耳感應單元

　　感應的霍耳電壓經過放大器放大和磁滯比較器輸出相應的數(shù)字信號。根據(jù)實際情況，在典型情況下可以將工作點設為30高斯，釋放點設為-30高斯，磁滯寬度為60高斯。

　　磁滯比較器的輸出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終止，本設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218=262,144μs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221-218=1,835,008μs，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，設計要求對輸出功率管的開關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SW1及SW3有效；當系統(tǒng)需要重啟動時，開關SW2及SW4有效。由En信號控制開關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

　　輸出驅動及保護電路如圖6所示，芯片片內部分由驅動電路、輸出功率管、電壓鉗位二極管構成。由于輸出功率管尺寸較大，需要驅動電路使其正常工作。其驅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導通電壓分別為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。這里，上拉電阻使輸出控制信號在不同的VIN電壓下都可以被正確的讀出。

圖6 輸出驅動及保護電路

　　完成的芯片版圖如圖7所示。該芯片采用0.5μm, 雙層金屬，65V高壓CMOS工藝制程流片。經過測試，該芯片可以正常工作在2.8～28V范圍，最高輸出電流可達400mA。當電源電壓為24V時，電流損耗為1.8mA，芯片面積650μm×1140μm。

圖7 霍耳效應電機控制芯片版圖

參考文獻：
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