根據(jù)霍耳效應(yīng)設(shè)計(jì)的電機(jī)控制芯片

本文論述了基于霍耳效應(yīng)傳感芯片的電路設(shè)計(jì)原理和方法，并以0.5um， 雙層金屬，65V高壓CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，電路實(shí)現(xiàn)了包括磁滯，防相位鎖死與自動(dòng)重啟動(dòng)等功能，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。

1879 年，馬里蘭州立大學(xué)研究生霍耳發(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(shí)，帶電離子會(huì)受到y(tǒng) 方向的磁力影響而產(chǎn)生電勢積累， 這就是霍耳效應(yīng)。其中產(chǎn)生的電勢差被稱為霍耳電壓。由于變化的磁場會(huì)產(chǎn)生變 化的電場，那么，利用霍耳效應(yīng)做磁場監(jiān)測是可行的，事實(shí)上也是目前普遍采取 的方法。基于霍耳效應(yīng)的傳感-控制芯片廣泛應(yīng)用在電機(jī)控制、手機(jī)、電流及磁 場測量等領(lǐng)域。

實(shí)際應(yīng)用中，常用于PC 散熱等用途的直流無刷電機(jī)，由于外部障礙物等因素， 可能異常停止運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)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(shí)關(guān)閉電機(jī)并延時(shí)重啟，以便電機(jī)能夠恢復(fù)正常工作。

圖1 給出了霍耳效應(yīng)芯片的設(shè)計(jì)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(hào)，經(jīng)放大器放大及磁滯比較器判別，控制邏輯監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)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(qū)動(dòng)外部電機(jī)工作。

圖1 霍耳效應(yīng)芯片的系統(tǒng)框圖

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

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(zhǔn)很難在這樣寬的電壓范圍 內(nèi)正常的工作。因此，設(shè)計(jì)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(jī)應(yīng)用中，這些缺 點(diǎn)是次要的。

當(dāng)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(dǎo)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(dāng)設(shè)計(jì)，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(jì)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(diǎn)之間會(huì)形成霍耳電壓Vo1。而通過開關(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（⊿R）效應(yīng)。這樣較其他設(shè)計(jì)中常見的采用2 個(gè)或4 個(gè)霍耳感應(yīng)單元消除壓電 電阻效應(yīng)的方法更省面積，復(fù)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(hào)，交由芯片控 制邏輯部分處理。為克服電機(jī)工作中的意外停止，本設(shè)計(jì)包含了防鎖死及自動(dòng)重 啟機(jī)制。該機(jī)制根據(jù)比較器輸出信號(hào)相位的改變進(jìn)行邊沿監(jiān)測、計(jì)數(shù)、重置等工 作，與其他邏輯信號(hào)來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)過延遲后與延遲之前信號(hào)進(jìn)行異或 運(yùn)算，即可監(jiān)測出脈沖邊緣變化。若使用1MHz 的時(shí)鐘信號(hào)，計(jì)數(shù)器持續(xù)計(jì)數(shù)到2^18=262，144us 時(shí)，電路進(jìn)入鎖死狀態(tài)。21 位計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作直到溢出，其間 時(shí)間差為2^21-2^18=1，835，008us，約1.8 秒后嘗試重啟，直到電機(jī)正常工作。

作為電機(jī)控制芯片，設(shè)計(jì)要求對輸出功率管的開關(guān)按照一定邏輯順序進(jìn)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(shí)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(hào)為 經(jīng)過處理的磁滯比較器的輸出，Osc 信號(hào)來自振蕩器，H_peak 信號(hào)是計(jì)數(shù)器的輸 出，Reset 及其反信號(hào)是重啟動(dòng)控制信號(hào)。當(dāng)正常工作時(shí)，開關(guān)SW1 及SW3 有效； 當(dāng)系統(tǒng)需要重啟動(dòng)時(shí)，開關(guān)SW2 及SW4 有效。由En 信號(hào)控制開關(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(hào)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(dòng)及保護(hù)電路如圖6 所示，芯片片內(nèi)部分由驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路使其正常工作。其驅(qū) 動(dòng)電路通常有串接的反向器串組成，且尺寸逐級(jí)增大。當(dāng)VIN 過高時(shí)，可能燒毀 輸出功率管或電機(jī)，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(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。

圖 6 輸出驅(qū)動(dòng)及保護(hù)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(shí)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(dá) 400mA。當(dāng)電源電壓為24V 時(shí)，電流損耗為1.8mA，芯片面積650um×1140um。

圖7 霍耳效應(yīng)電機(jī)控制芯片版圖