关键词:
直流电机
泵电路供电
宽电源电压范围
低功耗
自适应死区时间
摘要:
直流电机由于控制方式灵活,具有良好的启动特性和调速特性,在工业控制、智能家居、新能源汽车等众多领域得到广泛应用。直流电机驱动芯片作为直流电机控制系统中的核心部件,其性能指标关系到电机能否稳定安全运行。针对便携式电子设备中的直流电机,由于是电池供电,其电压变化范围较宽,同时满足低功耗需求,因此对直流电机驱动芯片电源电压范围和功耗的研究具有重要意义。
本文基于SMIC 0.18μm BCD工艺设计了一款宽电源电压范围、低功耗的直流电机驱动芯片,可用于小功率直流电机控制系统。该芯片采用双电源供电,逻辑电源VDD工作范围1.8~5.5 V,电机电源VM工作范围0~15 V,能够实现PWM和PH/EN两种控制模式,分别控制H桥的不同工作状态,同时芯片还提供低功耗睡眠模式。芯片包括电源电路、泵电路、栅极驱动电路、自适应死区电路、保护电路、H桥电路等模块。
本文采用薄栅氧N型LDMOS管作为H桥的功率管,相同尺寸下,与P型LDMOS相比具有更强的电流驱动能力。为了拓宽电机驱动芯片的电源电压范围,本文设计了新型的栅极驱动电路供电方式,采用高效率泵电路,使驱动芯片保证功率管在低压下仍具有较低的导通电阻和较大的输出驱动电流,在高压情况下功率管栅源不会击穿。为了降低电机驱动芯片的功耗,本文设计了泵电路时钟控制电路,泵电路只在其所控制的功率管需要导通时才工作,减少了泵电路的工作时间。由于传统固定死区时间电路存在死区时间设置过长,能量损耗过大等问题,本文设计了一种自适应死区时间电路,通过检测高、低边功率管栅极电压是否下降到“0”,作为另一个功率管导通的必要条件,实现死区时间的自适应调节,提高功率管的转换效率。芯片中的保护电路包括欠压保护电路、过温保护电路和过流保护电路,对电机驱动芯片的工作状态进行检测,保证芯片正常稳定的工作。
利用Cadence软件完成电机驱动芯片的电路与版图设计,并对关键指标进行前后仿真对比。仿真结果表明,典型情况下,芯片内部半桥高边+低边功率管的导通阻抗为219.6 mΩ,睡眠模式下功耗为28.71 nA,输入50 KHz PWM信号时的静态功耗为934μA,高边管关闭死区时间为132 ns,低边管关闭死区时间7 ns。在低电源电压下,功率管栅极电压高于现有供电方式。综上所述,本文设计的电机驱动芯片满足宽电源电压范围和低功耗的性能设计要求。