CN101047356A - 用于电机驱动器的过电流检测电路 - Google Patents

Abstract

一种具有过电流检测电路的电机驱动器包括：具有第一差分输入端、第二差分输入端和差分输出端的H桥；与H桥的差分输出端耦合的感测电路；与感测电路耦合的比较和逻辑电路；与比较和逻辑电路耦合的一对预驱动器电路，用于驱动H桥的至少一个差分输入端；以及在比较和逻辑电路与感测电路之间耦合的一对电平移动器。H桥包括具有与第二晶体管耦合的第一晶体管的第一侧；以及具有与第四晶体管耦合的第三晶体管的第二侧。第一和第三晶体管是功率PDMOS晶体管，第二和第四晶体管是功率NDMOS晶体管。该对电平移动器用于确保在感测电路中的一对串联耦合的晶体管的V_GS不随温度、电机电流或电压变化，并且每个电平移动器都包括接收参考电流的晶体管。

Description

用于电机驱动器的过电流检测电路

技术领域

本发明涉及电机驱动器集成电路，并且更加具体而言，涉及包括过电流检测(“OCD”)电路的电机驱动器电路。

背景技术

在电机系统100中，柔性电机驱动器IC 104包括用于低功率耗散的同步整流，并且不仅用于驱动DC电机102而且用于驱动图1所示的步进电机106。电机驱动器IC 104在外部受控于μC 108，该μC 108与内部的脉宽调制(“PWM”)和控制逻辑块110耦合。在感测(SENSE)1节点和地之间的感测电阻R_S1用于驱动步进电机106。当驱动DC电机102时，R_S1短路接地。电阻R_S2理论上具有与R_S1相同的值。由“Lain”或“LBin”生成的“bta”或“btb”的消隐时间施加到预驱动器和OCD电路112和114，该预驱动器和OCD电路112和114用于预驱动H桥116和118并且用于OCD。当发生OCD时，H桥116和118的输出端是三态知道下一PWM脉冲到来。

当由桥禁止命令或空闲时间周期触发PWM非周期时，激活同步整流。在电流衰减到有效地短路体二极管(body diode)期间，电机驱动器IC 104接通具有低R_dson的合适功率DMOS。这个特征能够消除多数应用对外部肖特基二极管的需要，节省了成本以及外部元件数量，同时显著地最小化功率耗散。

现在参考图2，示出了电机驱动器系统200的一部分，其包括H桥202、电机204和感测电阻R_S。通常，在图2所示的驱动器系统200中，存在三种电流衰减模式，即快速衰减、慢速衰减和混合衰减。正常“接通”电流是I1，快速衰减路径是I2，并且慢速衰减路径是I3。混合衰减路径是在“断开”时间期间I2和I3的组合。

在需要较长时间接通DC电机或者具有同步整流的快速衰减发生的情况下，在电机204的线圈中产生大的电流。对于步进电机，存在一些事故，这些事故能够在电机204中导致大电流的出现。例如，如果感测电阻R_S变小或者突然短路接地，或者如果存在较长的衰减时间，则上述任一情况都将导致大电流流过。比正常电流大的电流能够损坏电机204和线圈。因此，在电机驱动器IC中提供过电流保护是必须的。

在图3中示出了具有用于DC电机302的过电流检测保护的常规电机驱动器电路300，该电路300包括感测部分304和比较部分306。感测部分304包括感测晶体管Msa和Msb。比较部分306包括感测电阻Rsa和Rsb、参考电阻Rrefa和Rrefb、参考电流源Irefa和Irefb、触发器308和310和比较器312和314。电路300还包括H桥316、预驱动器电路318和320和逻辑门322和324。

在图3所示的常规结构中，H桥316的A侧和B侧具有分离的感测部分304和比较部分306。图3中示出的分离OCD结构由于集成电路中过程的变化，对于每一侧导致不期望的不同感测阈值。

现在参考图4，示出了用于H桥的“A侧”的常规OCD电路。感测部分包括来自H桥的晶体管LA的电流镜、具有单元比率为“n”的感测晶体管Msa以及电流感测电阻Rsa。在图4中还示出了比较器412、参考电流Irefa和参考电阻Rrefa。

现在参考图5，示出了用于H桥的“A侧”的另外常规OCD电路。感测部分包括来自H桥的晶体管LA的电流镜、具有单元比率为“n”的感测晶体管Msa和电流感测电阻Rsa。在图5中还示出了比较器512、参考电流Irefa、参考电阻Rrefa以及与感测节点耦合的外部感测电阻Rtex。

当晶体管LA和Msa以三极管模式工作时，它们的漏极电流可以被表示为如下：

其中V_dsMsa＝V_dsLA-V_sa  V_gsMsa＝V_gsLA-V_sa  V_thLA＝V_thMsa＝V_th

通过下式来设置镜面因数n₁：

$n_1=\frac{I_{\mathrm{LA}}}{I_{\mathrm{Msa}}}---\left(3\right)$

将(1)和(2)带入(3)中，n₁等于：

$n_1=\frac{K_{\mathrm{LA}}\×[(V_{\mathrm{gsLA}}-V_{\mathrm{th}})\×V_{\mathrm{dsLA}}-\frac{{V_{\mathrm{dsLA}}}^2}{2}]}{K_{\mathrm{Msa}}[(V_{\mathrm{gsLA}}-V_{\mathrm{sa}}-V_{\mathrm{th}})\×(V_{\mathrm{dsLA}}-V_{\mathrm{sa}})-\frac{{(V_{\mathrm{dsLA}}-V_{\mathrm{sa}})}^2}{2}]}---\left(4\right)$

由下式表示单元比率n：

$n=\frac{K_{\mathrm{LA}}}{K_{\mathrm{Msa}}}---\left(5\right)$

因此，(4)可以简化为下式：

$n_1=\frac{n}{1-\frac{V_{\mathrm{sa}}\×(V_{\mathrm{gsLA}}-V_{\mathrm{th}}-\frac{V_{\mathrm{sa}}}{2})}{V_{\mathrm{dsLA}}\×(V_{\mathrm{gsLA}}-V_{\mathrm{th}}-\frac{V_{\mathrm{dsLA}}}{2})}}---\left(6\right)$

假设V_sa和V_dsLA小于V_gsLA和V_th，n₁可以简化为下式：

$n_1=\frac{n}{1-\frac{V_{\mathrm{sa}}}{V_{\mathrm{dsLa}}}}---\left(7\right)$

因此V_sa是镜面电流I_Msa和感测电阻R_sa之间的折中。

并且

V_sa＝R_sa×I_Msa                               ---(8)

V_dsLA＝R_dsonLA×I_LA                            ---(9)

将(8)和(9)带入(7)，n₁能够表示为：

$n_1=n+\frac{R_{\mathrm{sa}}}{R_{\mathrm{dsonLA}}}---\left(10\right)$

正如所知道的，R_dsonLA是温度的函数，并且因此n₁随温度而变化。

V_sa也可以由下式来表示：

$V_{\mathrm{sa}}=\frac{I_{\mathrm{LA}}}{n_1}\×R_{\mathrm{sa}}=\frac{I_{\mathrm{LA}}}{n}\×(1-\frac{V_{\mathrm{sa}}}{V_{\mathrm{dsLA}}})\×R_{\mathrm{sa}}---\left(11\right)$

因此，

$V_{\mathrm{sa}}=\frac{I_{\mathrm{LA}}}{\frac{n}{R_{\mathrm{sa}}}+\frac{1}{R_{\mathrm{dsonLA}}}}---\left(12\right)$

并且由下式获得V_refa：

V_refa＝I_refa×R_refa                                ---(13)

根据(11)和(12)，可以看到V_Msa和V_refa不具有相似的温度特性。

假设V_Msa等于V_refa，通过下式获得阈值OCD电流I_thocd：

$I_{\mathrm{thocd}}=\frac{R_{\mathrm{refa}}}{R_{\mathrm{sa}}}\×n_1\×I_{\mathrm{refa}}=(\frac{R_{\mathrm{refa}}}{R_{\mathrm{sa}}}\×n+\frac{R_{\mathrm{refa}}}{R_{\mathrm{dsLA}}})\×I_{\mathrm{refa}}---\left(14\right)$

如果R_refa和R_sa是相同类型的电阻，则I_thocd取决于n、R_refa和R_dsLA的比率，而R_refa和R_dsLA是不同类型的电阻。因此，I_thocd也随着温度和过程变化而变化。

通常，从感测管脚到地，存在外部跟踪电阻R_tex，如图5所示的。当I_LA流过R_tex时，产生电压降V_SEN，如图6所示的。

比较图6中的电路600与图4的电路400，如果L_A1和R_tex分别与M_sa和R_sa比较，则获得类似的结果。通过下式设置LA和LA1之间的镜面因数m₁：

$m_1=\frac{I_{\mathrm{LA}}}{I_{\mathrm{LA}1}}=\frac{m}{1-\frac{V_{\mathrm{SEN}}}{V_{\mathrm{dsLA}}}}---\left(15\right)$

其中m是LA和LA1的单元比率。

根据(15)，已知的是当V_SEN增加时，m₁增加。换句话说，流过LA的漏极电流相对于尺寸而减少，这意味着

m等于1。

因此，V_SEN等于：

V_SEN＝R_tex×I_LA1                                      ---(16)

结果，当R_tex增加时，根据(3)V_SEN增加，m₁减小，n₁减小并且从而根据(14)I_thocd减小。

重要指出的是，R_tex包含用于驱动步进电机的感测电阻R_S，并且因此I_thocd显著受R_tex的影响。换句话说，电机驱动器IC具有用于驱动DC电机和步进电机的差分I_thocd。

总之，常规OCD电路和上述方法具有某些缺点。第一，分离的OCD结构可能对于H桥的每一侧产生差分I_thocd。第二，感测电压V_Msa和V_ref具有与温度和过程变化类似的变化。第三，I_thocd对温度、过程变化以及SENSE管脚电压敏感。第四，由于不同的外部感测电阻R_S，存在用于驱动步进电机和DC电机的差分I_thocd。

因此，期望一种用于电机驱动器集成电路的OCD电路，该OCD电路能够克服与常规现有技术OCD电机驱动器电路相关的这四个缺点的每一个。

发明内容

根据本发明的一个实施例，具有过电流检测电路的电机驱动器包括具有第一差分输入端、第二差分输入端和差分输出端的H桥；与H桥的差分输出端耦合的感测电路；与感测电路耦合的比较和逻辑电路；与比较和逻辑电路耦合的一对预驱动器电路，用于驱动H桥的至少一个差分输入端；以及在比较和逻辑电路与感测电路之间耦合的一对电平移动器。H桥包括具有与第二晶体管耦合的第一晶体管的第一侧；以及具有与第四晶体管耦合的第三晶体管的第二侧。第一和第三晶体管是功率PDMOS晶体管，第二和第四晶体管是功率NDMOS晶体管。该对电平移动器用于确保感测电路中的一对连续耦合的晶体管的V_GS不随温度、电机电流或电压而变化，并且每个电平移动器均包括接收参考电流的晶体管。该对电平移动器各自进一步包括连续耦合的二极管和齐纳二极管，用于防止电流从H桥的差分输出端流到电平移动晶体管。感测电路进一步包括与感测电路中的晶体管对之间的结点耦合的电阻分压器，该电阻分压器具有与比较和逻辑电路耦合的输出端。比较和逻辑电路提供逻辑信号给过电流状态中的预驱动器电路。

根据附图所说明的本发明实施例的下面更详细的描述，本发明的上述和其他特征、有用性和优点变得显而易见。

附图说明

图1是根据现有技术的柔性电机驱动器IC的应用图；

图2是根据现有技术在电机驱动器电路中的电流衰减模式的示意图；

图3是包括OCD电路的现有技术DC电机驱动器的示意图；

图4是根据现有技术的用于驱动DC电机的H桥A侧而没有外部感测电阻的OCD电路；

图5是根据现有技术的用于驱动DC电机的H桥A侧而具有外部感测电阻的OCD电路；

图6是根据现有技术用于将漏极电流与R_tex比较，以及将漏极电流不与R_tex比较的简化电路图；

图7是根据本发明包括OCD电路的电机驱动器电路的示意图；

图8-10是以不同衰减模式不具有OCD所呈现的相关波形；

图11-12是在T_on或T_off期间出现OCD的相关波形；

图13-14是根据本发明示出在慢衰减期间没有出现OCD的简化等效电路的示意图。

具体实施方式

根据本发明，在图7中示出了包括用于双极性H桥716的精确有效过电流检测电路的柔性电机驱动器IC 700，该柔性电机驱动器IC700包括两个电平移动电路726和728、感测部分704和比较部分706。

两个电平移动电路726和728用于保证晶体管swa或swb的V_ga不随温度、电机电流或感测管脚电压而变化。因此，开关swa和swb在OCD期间以三极管模式工作。当节点OUTA或OUTB分别为高时，二极管Da和Db用于阻止电流流入晶体管Xa或Xb。恒定电流源Ia和Ib具有微安培范围内的电流，这相对于为若干安培的电机电流需求不显著。

在感测部分704中，晶体管LA或LB的R_dsonpw用作OCD的感测电阻，并且感测电机电流I_mtr。当出现OCD状态时，开关swa或swb接通。V_s1近似等于OUTA或OUTB，并且如果R1和R2的总电阻比晶体管swa或swb的R_dson大得多，则V_s1遵循这些节点。电阻R1和R2形成电阻分压器。假设忽略swa或swb的R_dson，则V_s等于：

$V_s=\frac{R2}{R1+R2}\×I_{\mathrm{mtr}}\×R_{\mathrm{dsonpw}}{\×V}_{\mathrm{SEN}}---\left(17\right)$

其中V_SEN是感测管脚上的电压，并且由下面等式所确定：

V_SEN＝I_mtr×R_S                                     ---(18)

比较部分706包括V_ref发生器、比较器712和锁存器电路708。当设备X1-Xn接通时，R_dsoneq的等价电阻是X1-Xn的总R_dson。恒定电流源I_ref流过R_dsoneq，并且V_erf通过下面等式来获得：

V_ref＝I_ref×R_dsoneq+V_SEN                            ---(19)

假定V_s等于V_ref，也就是：

V_ref＝V_S                                            ---(20)

将(17)、(18)和(19)带入(20)，则通过下面等式获得用于OCD的I_thocd：

$I_{\mathrm{thocd}}=\frac{R1+R2}{R2}\×\frac{R_{\mathrm{dsoneq}}}{R_{\mathrm{dsonpw}}}\×I_{\mathrm{ref}}---\left(21\right)$

如果设备X1-Xn是与晶体管LA和LB相同类型的设备，R1和R2是相同类型的电阻并且选择恰当值n，则R_dsoneq和R_dsonpw将具有类似的特性。根据(17)和(19)，可以确定V_ref和V_s具有与过程变化和温度漂移相同的变化。结果，由等式(21)确定用于OCD的精确阈值电流。

图8-10示出了不具有OCD的波形。图8示出了具有快速衰减的相关波形。图9示出了具有慢速衰减的相关波形。图10示出了具有混合衰减的相关波形。

现在参考图11和12，过电流现象发生在长时间接通或在Toff中具有同步整流的快速衰减期间。图11示出了在Ton期间OCD发生。图12示出了在Toff中的快速衰减期间OCD发生。

在图13中示出了用于慢速衰减的简化电路1300。在图14中示出了等效电路1400。在慢速衰减期间，功率晶体管LA或LB的大小比开关swa或swb的大小大得多，并且R_dsonLA和R_dsonLB的总电阻比R_dsonswa或R_dsonswb的电阻小得多。因此，由于LA和LB的相等功率区域和swa和swb的相等开关大小，大部分慢速衰减电流I_mtrSD流过R_dsonLB和R_dsonLA。没有电流流过电阻R1、R2和Rs，并且因此Vs等于0。结果，在慢速衰减期间不出现过电流现象。

总之，本发明所提出的方法具有下面的优点。共享的OCD结构减少了用于H桥的每一侧的I_thocd的扩展，因此节省了珍贵的集成电路管芯面积。电压V_s和V_ref具有与电源、过程和温度相同的变化。I_thocd电流更加精确，基本上对电源、过程、温度和感测管脚电压不敏感，并且具有用于驱动DC电机或步进电机的相同值。

尽管参考本发明的优选实施例已经具体地示出和说明本发明，但是本领域的技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节上进行各种其他变化。

Claims (20)

1.一种具有过电流检测电路的电机驱动器，包括：

具有第一差分输入端、第二差分输入端和差分输出端的H桥；

与H桥的差分输出端耦合的感测电路；

与感测电路耦合的比较和逻辑电路；

与比较和逻辑电路耦合的一对预驱动器电路，用于驱动H桥的至少一个差分输入端；以及

在比较和逻辑电路与感测电路之间耦合的一对电平移动器。

2.根据权利要求1的电机驱动器，其中H桥包括：

具有与第二晶体管耦合的第一晶体管的第一侧；

具有与第四晶体管耦合的第三晶体管的第二侧。

3.根据权利要求1的电机驱动器，其中第一和第三晶体管各自包括功率PDMOS晶体管。

4.根据权利要求1的电机驱动器，其中第二和第四晶体管各自包括功率NDMOS晶体管。

5.根据权利要求1的电机驱动器，其中该对电平移动器中的每一个均包括接收参考电流的晶体管。

6.根据权利要求5的电机驱动器，其中该对电平移动器中的每一个均进一步包括用于防止电流从H桥的差分输出端流到晶体管的二极管。

7.根据权利要求6的电机驱动器，其中该对电平移动器中的每一个均进一步包括与所述二极管耦合的齐纳二极管。

8.根据权利要求1的电机驱动器，其中感测电路包括一对晶体管，该对晶体管具有在差分输出端上串联耦合的电流通路。

9.根据权利要求1的电机驱动器，其中感测电路进一步包括与该对晶体管之间的结点耦合的电阻分压器，该电阻分压器具有与比较和逻辑电路耦合的输出端。

10.根据权利要求1的电机驱动器，其中比较和逻辑电路提供逻辑信号给过电流状态中的预驱动器电路。

11.一种用于H桥电机驱动器的过电流检测电路，包括：

与H桥的差分输出端耦合的感测电路；

与感测电路耦合的比较和逻辑电路；

与比较和逻辑电路耦合的一对预驱动器电路，用于驱动H桥的差分输入端；以及

在比较和逻辑电路与感测电路之间耦合的一对电平移动器。

12.根据权利要求11的电机驱动器，其中该对电平移动器中的每一个均包括接收参考电流的晶体管。

13.根据权利要求12的电机驱动器，其中该对电平移动器中的每一个均进一步包括用于防止电流从H桥的差分输出端流到晶体管的二极管。

14.根据权利要求13的电机驱动器，其中该对电平移动器中的每一个均进一步包括与二极管耦合的齐纳二极管。

15.根据权利要求11的电机驱动器，其中比较和逻辑电路提供逻辑信号给过电流状态中的预驱动器电路。

16.一种用于H桥电机驱动器的过电流检测电路，包括：

与H桥的差分输出端耦合的感测电路，该感测电路包括一对开关，每个开关具有控制输入端；

与感测电路耦合的比较和逻辑电路；

与比较和逻辑电路耦合的一对预驱动器电路，用于驱动H桥的差分输入端；以及

一对电平移动器，用于在该对开关的每个控制输入端上移动DC电压。

17.根据权利要求16的电机驱动器，其中该对电平移动器中的每一个均包括接收参考电流的晶体管。

18.根据权利要求17的电机驱动器，其中该对电平移动器中的每一个均进一步包括用于防止电流从H桥的差分输出端流到晶体管的二极管。

19.根据权利要求18的电机驱动器，其中该对电平移动器中的每一个均进一步包括与二极管耦合的齐纳二极管。

20.根据权利要求16的电机驱动器，其中比较和逻辑电路提供逻辑信号给过电流状态中的预驱动器电路。

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