CN101895254A - 桥接马达驱动电路及其自适应死区控制方法 - Google Patents

Abstract

桥接马达驱动电路及其自适应死区控制方法主要是针对通用桥接输出类马达驱动电路中死区模块设计，目的是为了能够在集成电路内部采用最简单适用可靠的方法来完成死区的自适应控制，为保证同边侧上下桥臂不会同时导通，固定延时的死区控制方法所作的电路已经无法保证各种应用条件下的通用性，其可靠性失效多为上下桥臂烧毁，究其原因多为死区太小所致，为此本发明采用全新的拓扑结构，本发明在马达驱动类电路中由于其通用性必将影响深远，必须加以完善并扩大应用，从而提高马达驱动领域的整体可靠性，由于应用了本发明拓扑结构的驱动电路不会增加其芯片面积，引脚特性也不会发生改变，这样既提高了电路的可靠性能，而又不会增加成本，提高了电路的竞争力。

Description

桥接马达驱动电路及其自适应死区控制方法

技术领域

该发明主要是针对通用桥接输出类马达驱动电路中死区模块设计，目的是为了能够在集成电路内部采用最简单适用可靠的方法来完成死区的自适应控制，属于半导体逻辑拓扑设计领域。

背景技术

所谓死区，就是在一定范围内，有信号输入系统，但没有输出信号或者输出信号很微弱。换句话说，在这个特定范围内——可以是输入幅度范围，也可以是特定的时间段范围——控制系统的调节作用很小或者没有调节作用。那么，这个范围就是死区。死区回路是桥接型输出电路所共有的设计模块，尤其是在大功率电机、变频器等，末端都是由大功率管、IGBT等元件组成的双析(H桥)或3桥，每个桥的上半桥和下半桥是是绝对不能同时导通的，但是驱动信号在达到功率元件的控制级时，往往会由于各种各样的原因产生延迟的效果，造成某个半桥元件在应该关断时没有关断，造成桥接输出上下功率管同时导通，致使功率管或者是外围功率元件烧毁。

死区控制回路异常是导致桥接输出型马达驱动类集成电路失效甚至损坏的最主要原因，尤其是在应用条件复杂、通用性要求高的场合更是如此。

死区控制失效致毁的马达驱动类集成电路的主要现象就是桥接输出功率管烧毁，一般是两对输出管同时烧毁，尤其是在外围匹配马达所需扭矩较大，内阻较小正反转控制高频交替的情况下，传统固定死区设计的集成驱动电路失效比例更高。这就要求能够有一种可靠的、死区可控的设计方案最好是具有死区自适应控制能力。

图1为传统的H桥马达驱动电路通道逻辑拓扑图，主要包括：前级运放、电平转换、驱动信号中间放大级、H桥驱动输出级，这是一种最简单也是最通用的H桥型马达驱动类集成电路逻辑拓扑结构，其中前级运放与中间放大级共同确定驱动器的输出增益；电平转换部分通过比较输入信号和参考信号的不同，产生输出电流，这个电流以+ΔV和-ΔV的形式分别提供给两路驱动缓冲器，经中间放大级放大后形成反向的功率驱动信号，通过H桥功率管输出；驱动信号中间放大级根据输入信号的状态完成功率放大；H桥输出级，接收中间级放大后的驱动信号，上下桥臂交替导通，以实现马达的正反转功能。

图1拓扑中死区设计也最为简单，死区主要在前级运放输出端，其具体结构如图2所示，此部分作为一个标准运放，并未做任何的消除交越失真的回路，由此产生的交越失真经放大级放大后作为死区输出，这样设计的死区大小不可调节，完全由两个N型晶体管N1和N2的正向导通偏压Vbe决定，死区大小随工艺条件变化，做出的死区往往会太大，虽然保证了H输出部分上下桥臂不会同时导通，但是会使输出驱动灵敏度差，效率低等缺点；

图3、图4为现有的改进型死区设计，其中图3设计在前级运放输出端上下管基极间增加了一个二极管，用于减小死区范围，但是这样设计仍然只是一种通过减小交越失真绝对值的从而减小死区范围的设计，且死区范围仍然受二极管D1正向导通压降以及两个N型晶体管N3和N4的正向导通偏压Vbe决定，受工艺影响依然较大，往往不可控；

图4在图3基础上在继续改进，N6与N7基极电位差：

Vce(N5)＝Vbe(N5)*(1+R3/R4)

这样可以通过改与工艺控制相结合将死区做到极小，但是一旦调整电阻R3、R4完毕，此类死区控制也成了固定死区控制，虽然可以防止死区过大却因为工艺波动引起批次间差异，因此死区极少烧毁电路。

针对以上种种问题，在此本专利提出如下解决方案。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种桥接马达驱动电路及其自适应死区控制方法，从拓扑结构层次入手，使输出上下桥臂单独受控，彻底解决了死区控制难的问题，同时本发明并不会对信号传输回路产生影响，也不会产生多余的引脚，确保了电路的稳定性与通用性。

技术方案：针对马达驱动桥接型电路遇到的死区问题，目前国际上已有多种设计方案，本发明也针对此类问题给出一种全新的死区自适应控制设计，本专利是从电路拓扑结构层次入手进行设计，原则有两条：其一，采用独立控制回路，不影响原有驱动信号回路；其二，确保死区控制能做到逐周期检测并控制。这样可以在保证驱动电路正常功能的同时确保其可靠性。

本发明的桥接马达驱动电路包括前级运放、驱动放大级、桥接(H桥)驱动输出级；前级运放的输出端通过电平转换与驱动放大级的输入端相连接，驱动放大级的输出端通过死区控制模块分别接桥接驱动输出级中的第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管的基极；第八开关管、第九开关管串联连接，第十开关管、第十一开关管串联连接，由第八开关管、第十一开关管构成上桥臂，由第九开关管、第十开关管构成下桥臂；第五检测电阻、第六检测电阻、第七检测电阻、第八检测电阻组成检测电路，其中第五检测电阻、第六检测电阻串联连接，其两端分别接第八开关管、第九开关管的中间和钳位电平，第五检测电阻、第六检测电阻的连接点接死区控制模块；第七检测电阻、第八检测电阻串联连接，其两端分别接第十开关管、第十一开关管的中间和钳位电平，第七检测电阻、第八检测电阻的连接点接死区控制模块。

前级运放中的运放放大器的反向输入端与输入信号之间接有输入电阻，运放放大器的输出端接第十三开关管的基极，第十二开关管和第十三开关管串联连接，第十二开关管的基极通过串联连接的第二二极管、第三二极管接第十三开关管的基极，第十二开关管的发射极即第十三开关管的集电极与运放放大器的反向输入端相连接，第十二开关管的集电极、第十三开关管的发射极与电平转换电路相连接。

本发明中马达驱动电路的自适应死区控制方法为：

马达正传周期时第八开关管与第十开关管导通，此时第八开关管输出电流除了流向第十开关管外，还有一支路通过第五检测电阻、第六检测电阻到钳位电平，此电流极为上桥臂第八开关管的检测电流，由于第八开关管逐周期输出电流均会在第五检测电阻、第六检测电阻得到检测，并转换为电压以此作为反馈控制经过滞回比较输出，通过第十四开关管控制下桥臂第九开关管的通断，一但检测电流到的电流大于设定值，即拉掉第九开关管的基极驱动电平；由此实现了下桥臂的可控通断；反之在马达反转是第十开关管为受控下桥臂，第十一开关管为被检测上桥臂，检测元件为第七检测电阻、第八检测电阻，原理与正传相同；正因为上下桥臂的导通延时完全有上桥臂电流检测模块以及下桥臂导通控制模块来设定，前级运放不需要产生交越失真以提供固定死区，这样同时保证了死区范围外电路具有更高的灵敏度。

有益效果：通过设计上桥臂检测电流模块以及下桥臂导通控制模块，在此发明用于实际电路后，电路失效率明显降低，与应用固定死区的同类电路相比基本上杜绝了因死区控制失败而导致的失效——这也是传统桥接马达驱动电路失效的主要原因，提高了电路的可靠性，从而大幅度提高电路的竞争能力。

附图说明

图1是传统桥接(H桥)马达驱动电路的整体拓扑图，其采用的死区设置如图2、3、4所示，均为固定死区设置；

图5是本发明所采用的完整拓扑结构，增加了上桥臂电流检测回路与下桥臂道通控制回路后使电路具备了自动死区控制功能，即所谓的自适应性。

图6是针对新拓扑设计对图5中前级运放进行的重新设计，因新拓扑中的死区产生与控制均由后级驱动放大部分产生，因此在前级运放部分不再需要交越失真，故将其取消。

图7是新拓扑结构中死区控制部分原理图。

具体实施方式

本发明的整体拓扑结构如图5所示，相对图1增加了输出电流检测回路与受此检测电流控制的H桥下桥臂驱动控制回路，二者做到对上桥臂输出电流的逐周期检测，根据检测结果对下桥臂的驱动进行逐周期开关控制。

因电平转换模块为成熟设计，并非本发明所特有，故不作专门介绍；

H桥上桥臂电流检测模块：

如图5所示，马达正转时，死区检测电路采用图五中上桥臂第八开关管N8、第五检测电阻R5以及第六检测电阻R6，采样信号由第五检测电阻R5与第六检测电阻R6中间以检测电压形式取出并反馈到死区控制模块；

马达正传周期时第八开关管N8与第十开关管N10导通，此时第八开关管N8输出电流除了流向第十开关管N10外，还有一支路通过第五检测电阻R5与第六检测电阻R6到钳位电平Vp，此电流极为上桥臂第八开关管N8的检测电流，由于第八开关管N8逐周期输出电流均会在第五检测电阻R5与第六检测电阻R6得到检测，并转换为电压以此作为反馈，此反馈电压提供给死区控制模块用以控制下桥臂N9的通断，一但检测电流到的电流大于设定值(本发明首次使用时电流设定值为100uA)，即拉掉第九开关管N9的基极驱动电平。尤其实现了下桥臂的可控通断；反之在马达反转是第十开关管N10为受控下桥臂，第十一开关管N11为被检测上桥臂，检测元件为第七检测电阻R7、第八检测电阻R8，原理与正传相同。

正因为上下桥臂的导通延时完全有上桥臂电流检测模块以及下桥臂导通控制模块来设定，所以前级运放不再需要产生交越失真以提供固定死区，这样同时保证了死区范围外电路具有更高的灵敏度。

由此看出第八开关管N8与第十一开关管N11、第九开关管N9与第十开关管N10基极仍然相反，但是下桥臂导通状态却受到了上管前半周期流过电流的控制，其导通延时完全由上桥臂电流决定，尽管工艺水平千差万别但是作为同种类型的第五检测电阻R5、第六检测电阻R6、第七检测电阻R7以及第八检测电阻R8，其波动基本同步，致使第八开关管N8与第十一开关管N11、第九开关管N9与第十开关管N10工作状态波动微乎其微，基本上保证了批次之间的一致性，由于内置的检测模块以及控制模块均为内反馈系统，无需另加引脚，且控制模块的开关管所控制的驱动电流极小(本发明首次使用时电流设定值为65uA)，因此对开关管的面积几乎没有特殊要求，这两点保证了此发明应用后对芯片面积影响微乎其微可以忽略。

死区控制模块：

如图7所示，来自中间驱动放大级的驱动信号被转换为两路输出，一路直接用以驱动上桥臂开关管；另一路信号经倒向后用以驱动下桥臂开关管，取自死区检测部分的检测信号与内置基准电平进行滞会比较输出，以此控制下桥臂开关管的工作状态，且只有当检测输入电平高于设定值时第十四开关管N14导通，拉掉下桥臂开关管驱动信号。

同时前级运放也不再需要产生死区，故前级运放输出端设计为如图6所示，在此不再产生交越失真，死区大小完全由死区控制模块产生。

其次，由于检测模块、控制模块二者为自动检测门自动控制，本质上做到了死区大小的自适应性。

本发明具有优异的桥接输出死区自适应控制功能，使之总能保证同边侧上下桥臂不会发生同时导通现象，本发明的应用方法适用于所有桥接结构的电路，在D类功放以及三桥输出电路中均可推广使用。

有效地死区控制结构，其具有延时功能的的上下桥臂导通控制部分彻底杜绝了上下桥臂同时导通的可能，被保护部分即桥接输出结构在上下桥交替导通，在工艺条件不变的情况下既保证了电路的可靠性，又引起封装管脚等不会发生变化，该发明完全考虑到了电路的通用性。

Claims (4)

1.一种桥接马达驱动电路，其特征在于该驱动电路包括前级运放(1)、驱动放大级(2)、H桥驱动输出级(3)；前级运放(1)的输出端通过电平转换与驱动放大级(2)的输入端相连接，驱动放大级(2)的输出端通过死区控制模块分别接H桥驱动输出级(3)中的第八开关管(N8)、第九开关管(N9)、第十开关管(N10)、第十一开关管(N11)的基极；第八开关管(N8)、第九开关管(N9)串联连接，第十开关管(N10)、第十一开关管(N11)串联连接，由第八开关管(N8)、第十一开关管(N11)构成上桥臂，由第九开关管(N9)、第十开关管(N10)构成下桥臂；第五检测电阻(R5)、第六检测电阻(R6)、第七检测电阻(R7)、第八检测电阻(R8)组成检测电路，其中第五检测电阻(R5)、第六检测电阻(R6)串联连接，其两端分别接第八开关管(N8)、第九开关管(N9)的中间和钳位电平(Vp)，第五检测电阻(R5)、第六检测电阻(R6)的连接点接死区控制模块；第七检测电阻(R7)、第八检测电阻(R8)串联连接，其两端分别接第十开关管(N10)、第十一开关管(N11)的中间和钳位电平(Vp)，第七检测电阻(R7)、第八检测电阻(R8)的连接点接死区控制模块、死区控制模块中检测信号经过滞回比较后输出，接第十四开关管(N14)、第十四开关管(N14)的集电极接下桥臂开关输出管。

2.根据权利要求1所述的桥接马达驱动电路，其特征在于前级运放(1)中的运放放大器(OP-pre)的反向输入端与输入信号(Yin)之间接有输入电阻(Rin)，运放放大器(OP-pre)的输出端接第十三开关管(N13)的基极，第十二开关管(N12)和第十三开关管(N13)串联连接，第十二开关管(N12)的基极通过串联连接的第二二极管(D2)、第三二极管(D3)接第十三开关管(N13)的基极，第十二开关管(N12)的发射极即第十三开关管(N13)的集电极与运放放大器(OP-pre)的反向输入端相连接，第十二开关管(N12)的集电极、第十三开关管(N13)的发射极与电平转换电路相连接。

3.一种如权利要求1所述的桥接马达驱动电路的自适应死区控制方法，其特征在于马达正传周期时第八开关管(N8)与第十开关管(N10)导通，此时第八开关管(N8)输出电流除了流向第十开关管(N10)外，还有一支路通过第五检测电阻(R5)、第六检测电阻(R6)到钳位电平(Vp)，此电流极为上桥臂第八开关管(N8)的检测电流，由于第八开关管(N8)逐周期输出电流均会在第五检测电阻(R5)、第六检测电阻(R6)得到检测，并转换为电压以此作为反馈经过滞回比较后输出，通过第十四开关管(N14)控制下桥臂第九开关管(N9)的通断，一但检测到的电流大于电流设定值，即拉掉第九开关管(N9)的基极驱动电平；实现了下桥臂的可控通断；反之在马达反转是第十开关管(N10)为受控下桥臂，第十一开关管(N11)为被检测上桥臂，检测元件为第七检测电阻(R7)、第八检测电阻(R8)；上下桥臂的导通延时完全有上桥臂电流检测模块以及下桥臂导通控制模块来设定，前级运放不需要产生交越失真以提供固定死区，这样同时保证了死区范围外电路具有更高的灵敏度。

4.根据权利要求3所述的桥接马达驱动电路的自适应死区控制方法，其特征在于所述的电流设定值为100uA。

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