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(shí)現。電路實(shí)現了包括磁滯，防相位鎖死與自動(dòng)重啟動(dòng)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(guān)鍵詞：霍耳效應；電機控制；自動(dòng)重啟；脈沖寬度調制

　　1879年，霍耳發(fā)現：沿x方向流過(guò)的電流受到其垂直方向（z方向）的磁場(chǎng)作用時(shí)，帶電離子會(huì )受到y方向的磁力影響而產(chǎn)生電勢積累，這就是霍耳效應。其中產(chǎn)生的電勢差稱(chēng)為霍耳電壓。由于變化的磁場(chǎng)會(huì )產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，那么，利用霍耳效應做磁場(chǎng)監測是可行的，事實(shí)上也是目前普遍采取的方法?；诨舳膫鞲?控制芯片廣泛應用在電機控制、手機、電動(dòng)車(chē)、電流及磁場(chǎng)測量等領(lǐng)域。

　　實(shí)際應用中，例如常用于PC散熱等用途的直流無(wú)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(guò)霍耳傳感器對磁場(chǎng)相位監測，判別異常停轉情況，及時(shí)關(guān)閉電機并延時(shí)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(chǎng)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，控制邏輯監測電機的運行狀態(tài)，做出關(guān)斷或延時(shí)自啟動(dòng)等功能，功率輸出管驅動(dòng)外部電機工作。

圖1 霍耳效應芯片的系統框圖

　　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(shí)，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(chǎn)生，而常見(jiàn)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(shí)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(diǎn)。所幸在電機應用中，這些缺點(diǎn)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(jīng)過(guò)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(chǎn)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(wú)特殊摻雜的CMOS工藝。 在圖3左圖中，電流自+Vs流向地端，磁場(chǎng)垂直于該片面，則將在方形的另外兩頂點(diǎn)之間會(huì )形成霍耳電壓Vo1。而通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，在下一時(shí)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(jiàn)的采用2個(gè)或4個(gè)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(jīng)過(guò)放大器放大和磁滯比較器輸出相應的數字信號。根據實(shí)際情況，在典型情況下可以將工作點(diǎn)設為30高斯，釋放點(diǎn)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(dòng)重啟機制。該機制根據比較器輸出信號相位的改變進(jìn)行邊沿監測、計數、重置等工作，與其他邏輯信號來(lái)判斷芯片的工作狀態(tài)。

圖4 防鎖死重啟電路及時(shí)序

　　防鎖死重啟電路及時(shí)序如圖4所示，CompA經(jīng)過(guò)延遲后與延遲之前信號進(jìn)行異或運算，即可監測出脈沖邊緣變化。若使用1MHz的時(shí)鐘信號，計數器持續計數到218=262,144μs時(shí)，電路進(jìn)入鎖死狀態(tài)。21位計數器繼續工作直到溢出，其間時(shí)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(kāi)關(guān)按照一定邏輯順序進(jìn)行，并且需要監視防鎖死重啟電路的輸出，以及控制功率管的死區(dead zone)時(shí)間等。這些功能由芯片邏輯控制部分完成，該部分簡(jiǎn)化電路如圖5所示。Comp信號為經(jīng)過(guò)處理的磁滯比較器的輸出，Osc信號來(lái)自振蕩器，H_peak信號是計數器的輸出，Reset及其反信號是重啟動(dòng)控制信號。當正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)SW1及SW3有效；當系統需要重啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)SW2及SW4有效。由En信號控制開(kāi)關(guān)組選擇芯片處于正常狀態(tài)或是重啟動(dòng)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(jiǎn)化電路圖

　　輸出驅動(dòng)及保護電路如圖6所示，芯片片內部分由驅動(dòng)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(dòng)電路使其正常工作。其驅動(dòng)電路通常有串接的反向器串組成，且尺寸逐級增大。當VIN過(guò)高時(shí)，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(gè)正向和8個(gè)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(dòng)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(jīng)過(guò)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(shí)，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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