CN102882369B - 一种电机驱动器芯片中的电荷泵电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其包括至少一对PMOS开关管、至少一对NMOS开关管、反馈控制单元、OSC振荡器、与所述MOS开关管数量相同的驱动器单元；其中，所述PMOS开关管与所述NMOS开关管构成一组H桥拓扑结构，所述PMOS开关管和NMOS开关管分别与各自对应的驱动器单元连接，且至少一个PMOS开关管与所述反馈控制单元连接，所述反馈控制单元与所述OSC振荡器连接。通过利用电荷泵输出电压的特性，本发明可以保证对直流/步进电机驱动器中H桥高端NMOS功率管的栅极的驱动能力，从而保证对直流/步进电机的驱动电流维持恒定，因此保证了电磁干扰较小的同时，又能减小H桥高端NMOS功率管的导通电阻，满足电机电流稳定的同时保证驱动器的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电荷泵，特别地，涉及一种新型的直流/步进电机驱动器芯片中的电荷泵电路。
背景技术
电荷泵也称为开关电容式电压变换器，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC变换器，它能使输入电压升高或降低，也可以用来产生负压。通过利用电荷泵能够产生高于输入电压的电压，因此它非常适用于H桥功率驱动电路，可作为H桥高端功率管的驱动电压。虽然其增加了系统的复杂性，但能够提供多路功率输出，并提高系统整体效率，故在电机电子产品中得到广泛应用。
电荷泵电路内部的开关晶体管以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80％的效率，而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的，因此电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和电磁干扰(Electro MagneticInterference，EMI)。
在电荷泵电路中，内部开关晶体管的状态切换对应的电路状态是由内部OSC(Oscillator振荡器)的振荡频率决定的。电荷泵几个主要指标中，输出电压纹波主要与电荷泵工作频率、输出电流大小以及泵电容大小有关，最大输出电流与泵电容和工作频率有关，效率与电压因数和工作频率相关。
现有的电荷泵电路若用于电机驱动器中，存在以下两个缺点：
1.固定的电路拓扑结构决定电压因数，即输出电压与输入电压的比值。在电机驱动器工作时，需要的是一个高于电源电压的电压值，而此电压值与电源电压的差值需要保持恒定，同时电机驱动器的工作电压也是随应用系统变化而不同的。因 此所需的电压因数是变化的，而现有的固定拓扑结构的电荷泵很难满足这个要求。
2.电荷泵相比较其他的DC—DC变换器具有较高的能量利用效率，一般可达80％以上，但若电压因数很小时，输出电压与输入电压的差值比较小的情况会导致现有的电荷泵效率大大降低，大部分能量会被电荷泵的开关管以及偏置电路消耗，同时也产生不必要的热能影响芯片正常工作。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种适用于电机驱动器的电荷泵，来实现电机驱动器中H桥高端功率管的驱动，同时满足低纹波和低功耗的要求。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其采用特殊的反馈机制对输出电压进行调节，保证输出电压与输入电压的差值恒定，从而保证H桥高端功率管的栅源电压Vgs固定，使得高端功率管导通电阻恒定，从而提高电机驱动器的驱动性能；同时布现有的基础上，提高电荷泵的工作效率，达到节省功耗的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其包括至少一对PMOS开关管、至少一对NMOS开关管、反馈控制单元、OSC振荡器、与所述MOS开关管数量相同的驱动器单元；其中，所述PMOS开关管与所述NMOS开关管构成一组H桥拓扑结构，所述PMOS开关管和NMOS开关管分别与各自对应的驱动器单元连接，且至少一个PMOS开关管与所述反馈控制单元连接，所述反馈控制单元与所述OSC振荡器连接。
如上述的新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其中，包括两个PMOS管，分别为第一PMOS管和第二PMOS管；两个NMOS管，分别为第一NMOS管和第二NMOS管。
进一步地，如上述的新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其中，所述反馈控制单元与所述第二PMOS管相连。
再进一步地，如上述的新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其中，所述驱动器单元分别接收来自所述OSC振荡器单元的两相非交叠时钟信号，并对应输出不同的栅极驱动信号。
再进一步地，如上述的新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其中，所述驱动器单元的输出电压随所述OSC振荡器输出的两相非交叠时钟信号的电压的升高而降低；随所述OSC振荡器输出的两相非交叠时钟信号的电压的降低而升高。
进一步地，如上述的新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其中，当所述OSC振荡器所产生的第一输入时钟信号下降到低电平，第二输入时钟信号上升到高电平时，所述第一NMOS开关管和第二NMOS开关管打开，第一PMOS开关管和第二PMOS开关管关断，电源电压通过所述第一NMOS开关管，泵电容和所述第二NMOS开关管到地形成充电回路，电荷泵电路处于充电阶段，同时泵电容充电电流控制电路开始工作，充电电流控制在设计值，泵电容上的电荷量逐渐增加；当提升电荷泵工作效率的电路检测到泵电容上的电荷量已经充到设计值时，输出信号到所述OSC振荡器，所述第一输入时钟信号此时上升到高电平，所述第二输入时钟信号此时保持高电平，第一NMOS开关管、第二NMOS开关管、第一PMOS开关管和第二PMOS开关管都关断，电荷泵电路进入等待阶段，泵电容电荷量保持不变；经过一段时间之后，电荷泵电路自动进入放电阶段，所述OSC振荡器输出的第二输入时钟信号下降到低电平，第一输入时钟信号保持高电平，第一PMOS开关管和第二PMOS开关管栅极电压变为低电平，处于导通阶段，第二NMOS开关管和第二NMOS开关管关断，电源和泵电容上的电量通过第一PMOS开关管和第二PMOS开关管通路向输出电容放电，输出电压逐渐上升；
当所述输出电压上升到设计值时，反馈控制电路检测到输出电压上升到设计值后，输出信号送入所述OSC振荡器，第二输入时钟信号此时上升到高电平，第一输入时钟信号此时保持高电平，第一NMOS开关管、第二NMOS开关管、第一PMOS开关管和第二PMOS开关管都关断，电荷泵电路再次进入等待阶段，输出电压由于向负载放电而逐渐下降，等待下一次循环开始。
如上述的新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其中，所述驱动器单元包括一个运算放大器单元、一个比较器单元、一个按所述第二NMOS管比例缩小的NMOS镜像管、五个电阻元件、一对三极管电流镜和一个PMOS晶体管。
因此，本发明的新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路对泵电容的充电电流和充电时间可以控制泵电容上存储的电荷量，当泵电容上电荷量的值为泵电容大小与 电源电压乘积的一半时，电荷泵的工作效率处于最优化状态。反馈控制单元对输出电压的监控保证输出电压与输入电压的差值恒定，输出电压用来驱动电机驱动器的H桥高端功率管，保证高端功率管导通电阻值小且恒定，不会因为阻值变化引起电机驱动器性能恶化。
通过利用电荷泵输出电压的特性，本发明可以保证对直流/步进电机驱动器中H桥高端NMOS功率管的栅极的驱动能力，从而保证无论输出电流或大、或小、或正、或负，对直流/步进电机的驱动电流维持恒定。这样本发明在保证了电磁干扰较小的同时，又能减小H桥高端NMOS功率管的导通电阻，在满足电机电流稳定的同时保证驱动器的工作效率。
附图说明
图1是本发明的优选实施例的新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路的电路结构示意图；
图2是本发明的包含OSC振荡器的反馈控制单元的电路示意图；
图3是本发明的驱动器3中提升电荷泵工作效率的电路示意图；
图4是本发明驱动器3中泵电容充电电流控制电路的示意图；
图5是本发明的OSC振荡器输出信号示意图；
图6是本发明的电荷泵输出电压Vcp的波形示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
本发明的新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路包括至少一对PMOS开关管、至少一对NMOS开关管、反馈控制单元、OSC振荡器以及与MOS开关管数量相同的驱动器单元。其中，PMOS开关管与NMOS开关管构成一组H桥拓扑结构。上述的MOS开关管分别与各自对应的驱动器单元连接，且至少一个PMOS开关管与反馈控制单元连接，反馈控制单元与OSC振荡器连接。
在本发明中，MOS开关管的数量至少为两对，以形成H桥拓扑结构，MOS 开关管分别接收来自各自驱动器单元的不同的控制信号。各个驱动器单元分别接收来自OSC振荡器单元的两相非交叠时钟信号，开对应输出不同的栅极驱动信号。驱动器单元输出电压随OSC振荡器输出的两相非交叠时钟信号的电压的升高而降低；随OSC振荡器输出的两相非交叠时钟信号的电压的降低而升高。
图1是本发明的优选实施例的新型的电机驱动器芯片中的电荷泵电路的电路结构示意图，其中，包括两个PMOS管，分别为第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2；两个NMOS管，分别为第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2。反馈控制单元与第二PMOS管MP2相连。
OSC振荡器产生的两相非交叠时钟PHASE A信号和PHASE B信号分别控制图1中的四个驱动器单元。驱动器单元收到时钟信号后分别输出信号来控制各自的MOS开关管。各个MOS开关管导通和关断的不同状态使得电路处于充电阶段，即电源对泵电容充电，或者放电阶段，即让泵电容对输出电容和负载放电，或者保持阶段，即泵电容上电荷量保持不变，输出电容对负载放电三个状态。
图2是本发明的包含OSC振荡器的反馈控制单元的电路结构示意图，其采用MOS管电流镜和三极管，电荷泵输出电压Vcp通过电阻R2连接到一个三极管的发射极，电源电压VBB，即电荷泵输入电压连接到这个三极管的基极，Vcp与VBB的电压差值作用到电阻R2上，产生一股电流流入此三极管的发射极。由于三极管基极电流很小，所以发射极电流约等于集电极电流，此电流在电阻R3上转换成电压，此电压作为输入信号送入比较器的正输入端中，比较器的负输入端连接带隙基准输出电压。比较器将两个电压比较之后输出一个控制信号控制OSC振荡器，即Vcp与VBB的电压差值经过电路换算之后与带隙基准电压比较，通过比较器来控制输出电压与输入电压差值的稳定。图2中比较器正输入端的另外一股电流用来补偿由于温度变化而导致三极管的b-e结正向电压Vbe变化而导致的误差。
图3是本发明的驱动器3中提升电荷泵工作效率的电路示意图。驱动器3包括一个运算放大器单元，一个比较器单元，一个按第二NMOS管MN2比例缩小的NMOS镜像管MN3，五个电阻元件R1-R5，一对三极管电流镜，一个PMOS晶体管。图3虚线框中的电路部分检测CP1点的电压，NMOS镜像管MN3中的电流由VBB与CP1的电压差值决定，经过电阻R3和三极管电流镜，此电流在电阻R5上 产生压降，再作为输入信号输入到比较器的正输入端，比较器负输入端连接带隙果准输出电压，两个电压经过比较器比较之后，比较器输出一个控制信号控制OSC振荡器，即VBB与CP1的电压差值经过电路换算之后与带隙基准电压比较，通过比较器来实现CP1点电压值的控制，其电压值设计在电源电压VBB电压一半的附近。
图4是本发明的驱动器3中泵电容充电电流控制电路的结构示意图。图3虚线框中的电路部分检测电荷泵充电阶段的充电电流大小，即稳定充电电流。NMOS镜像管MN3尺寸为第二NMOS开关管MN2尺寸按一定比例缩小，电阻R4阻值较小。电荷泵电路处于充电阶段过程中，第二NMOS开关管MN2开启，NMOS镜像管MN3中的电流按一定比例镜像第二NMOS开关管MN2中的电流，此电流流过电阻R4，在电阻R4上产生的电压作为输入信号输入到运算放大器的负输入端，运算放大器的正输入端电压来自带隙基准电压的分压。正常工作情况下，运算放大器正输入端和负输入端电压相等，因此包含运算放大器的反馈回路保证R4上的电压稳定，即NMOS镜像管MN3中的电流保证稳定，从而控制了充电电流的大小，保证充电电流稳定。
下面根据本发明的电荷泵的信号波形图5来详细说明本实发明中电荷泵的工作过程。
当电荷泵电路上电完成后，OSC振荡器电路单元的自动输出如图5所示。当输入时钟信号PHASEA下降到低电平，输入时钟信号PHASE B上升到高电平时，PHASE A信号经过驱动器2和驱动器3之后反相，即驱动器2和驱动器3单元输出高电平，PHASE B信号经过驱动器1和驱动器4之后不反相，即驱动器1和驱动器4单元输出高电平。第一NMOS开关管MN1和第二NMOS开关管MN2打开，第一PMOS开关管MP1和第二PMOS开关管MP2关断，电源电压VBB，即输入电压，通过第一NMOS开关管，泵电容Cpump和第二NMOS开关管MN2到地形成充电回路，电荷泵电路处于充电阶段，持续时间为tl。同时图4所示的泵电容充电电流控制电路开始工作，充电电流控制在设计值，泵电容Cpump上的电荷量逐渐增加。当图3所示的提升电荷泵工作效率的电路检测到泵电容Cpump上的电荷量已经充到设计值时，图3所示的检测电路输出信号到OSC振荡器，PHASE A信 号此时上升到高电平，PHASE B信号此时保持高电平，第一NMOS开关管MN1、第二NMOS开关管MN2、第一PMOS开关管MP1和第二PMOS开关管MP2都关断，电荷泵电路进入等待阶段，此阶段持续时间tw较短，泵电容Cpump电荷量保持不变。经过时间tw之后，电荷泵电路自动进入放电阶段t2，此时OSC振荡器输出信号PHASE B下降到低电平，PHASE A信号保持高电平，第一PMOS开关管MP1和第二PMOS开关管MP2栅极电压变为低电平，处于导通阶段，第一NMOS开关管MN1和第二NMOS开关管MN2关断，电源和泵电容上的电量通过第一PMOS开关管MP1和第二PMOS开关管MP2通路向输出电容Cout放电，输出电压Vcp逐渐上升。
当输出电压Vcp上升到设计值时，图2所示的反馈控制电路检测到输出电压Vcp上升到设计值后，输出信号送入OSC振荡器，PHASE B信号此时上升到高电平，PHASE A信号此时保持高电平，第一NMOS开关管MN1、第二NMOS开关管MN2、第一PMOS开关管MP1和第二PMOS开关管MP2都关断，电荷泵电路再次进入等待阶段，此阶段持续时间tw。输出电压Vcp由于向负载放电，电压逐渐下降，等待下一次循环开始。
图6是电荷泵输出电压Vcp的波形示意图。在放电阶段t2时间内，Vcp电压因输出电容Cout被充电而逐渐升高，在充电阶段tl时间以及等待阶段tw时间内，Vcp电压因输出电容Cout向负载提供负载电流而逐渐减低。电荷泵输出电压的纹波△Vcp为输出电压Vcp的最高电压值与最低电压值之差，纹波△Vcp越小说明电荷泵输出电压越稳定，设定电荷泵工作频率需要在输出电压纹波和电荷泵功耗中折中，设定为一个合适的值。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其特征在于，包括两个PMOS开关管，分别为第一PMOS开关管和第二PMOS开关管；两个NMOS开关管，分别为第一NMOS开关管和第二NMOS开关管；反馈控制单元、OSC振荡器、与所述PMOS开关管和所述NMOS开关管数量相同的驱动器单元；其中，所述PMOS开关管与所述NMOS开关管构成一组H桥拓扑结构，所述PMOS开关管和NMOS开关管分别与各自对应的驱动器单元连接，且所述第二PMOS开关管与所述反馈控制单元连接，所述反馈控制单元与所述OSC振荡器连接；
当所述OSC振荡器所产生的第一输入时钟信号下降到低电平，第二输入时钟信号上升到高电平时，所述第一NMOS开关管和第二NMOS开关管打开，第一PMOS开关管和第二PMOS开关管关断，电源电压通过所述第一NMOS开关管，泵电容和所述第二NMOS开关管到地形成充电回路，电荷泵电路处于充电阶段，同时泵电容充电电流控制电路开始工作，充电电流控制在设计值，泵电容上的电荷量逐渐增加；当提升电荷泵工作效率的电路检测到泵电容上的电荷量已经充到设计值时，输出信号到所述OSC振荡器，所述第一输入时钟信号此时上升到高电平，所述第二输入时钟信号此时保持高电平，第一NMOS开关管、第二NMOS开关管、第一PMOS开关管和第二PMOS开关管都关断，电荷泵电路进入等待阶段，泵电容电荷量保持不变；经过一段时间之后，电荷泵电路自动进入放电阶段，所述OSC振荡器输出的第二输入时钟信号下降到低电平，第一输入时钟信号保持高电平，第一PMOS开关管和第二PMOS开关管栅极电压变为低电平，处于导通阶段，第一NMOS开关管和第二NMOS开关管关断，电源和泵电容上的电量通过第一PMOS开关管和第二PMOS开关管通路向输出电容放电，输出电压逐渐上升；
当所述输出电压上升到设计值时，所述反馈控制单元检测到输出电压上升到设计值后，输出信号送入所述OSC振荡器，第二输入时钟信号此时上升到高电平，第一输入时钟信号此时保持高电平，第一NMOS开关管、第二NMOS开关管、第一PMOS开关管和第二PMOS开关管都关断，电荷泵电路再次进入等待阶段，输出电压由于向负载放电而逐渐下降，等待下一次循环开始。
2.如权利要求1所述的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其特征在于，所述驱动器单元分别接收来自所述OSC振荡器的两相非交叠时钟信号，并对应输出不同的栅极驱动信号。
3.如权利要求2所述的电机驱动器芯片中的电荷泵电路，其特征在于，所述驱动器单元的输出电压随所述OSC振荡器输出的两相非交叠时钟信号的电压的升高而降低；随所述OSC振荡器输出的两相非交叠时钟信号的电压的降低而升高。
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