CN105305811B - 用于步进电机的电荷泵驱动电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于步进电机的电荷泵驱动电路系统，电荷泵转换电路其具体主要包括至少一对开关管、一对开关管、第一电容、第二电容以及四个开关管驱动器；反馈控制电路检测电容两极板的电压和输出电压大小，并根据检测结果，生成脉冲宽度调制信号，控制开关管的导通与截止，使得所述电荷泵电路分别工作于第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，在不同的阶段完成对泵电容的充电与放电，对输出电容的充电，从而完成电荷泵所需要的升压功能。本发明在反馈控制电路的作用下，电荷泵电路将输入电压Vin升压为大小根据输入电压线性变化的输出电压Vout。

Description

用于步进电机的电荷泵驱动电路系统

技术领域

本发明涉及电荷升压电路技术领域，具体涉及一种用于步进电机的电荷泵驱动电路系统。

背景技术

如图1所示，现有技术中的带有稳压装置的电荷泵电路的示意图。已知的电荷泵电路主要由第一电容C1，第二电容C2以及开关电路组成。具体而言，开关组合电路由第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4组成。第一开关S1耦合于输入电压Vin与第一电容C1的第一电极NA之间。第二开关S2耦合于第一电容C1的第一电极NA与地面参考地位之间。第三开关S3耦合于输入电压Vin与第一电容C1的第二电极NB之间。第四开关S4耦合于第一电容C1的第二电极NB与输出端OUT之间。第二电容C2的第一电极NC耦合于输出端OUT，因此也连带耦合于第四开关S4。第二电容C2的第二电极ND耦合于输入端。

已知的电荷泵电路的操作方法由第一阶段与第二阶段所构成。在第一阶段中，第一与第四开关S1和S4皆处于不导通状态并且第二与第三开关S2与S3皆处于导通状态，使得第一电容C1的第一电极NA耦合于地面参考电位并且第一电容C1的第二电极NB耦合于输入电压Vin。因此在第一阶段中，第一电容C1被充电，使得第二与第一电极NB与NA间的电位差升高至一个Vin。随后在第二阶段中，第一与第四开关S1与S4皆处于导通状态并且第二与第三开关S2与S3皆处于不导通状态，使得第一电容C1的第一电极NA耦合于输入电压Vin并且第一电容C1的第二电极NB耦合于输出端NC。结果，在第二阶段开始时，第一电容C1的第二电极NB处的电压从原本的Vin被瞬间提高至2*Vin。经由已导通的第四开关S4，此电压2*Vin施加输出端NC，使得已知的电荷泵电路得以有效地提供2*Vin的输出电压Vo1。

电荷泵电路在没有稳压装置的情况下仅能提供固定在2*Vin的输出电压Vo1。为了提供可在Vin与2*Vin之间任意调整的输出电压Vout，已知的电荷泵电路的第二电容C2的第一电极NC与输出端OUT间必须额外设置线性电压调节器。根据驱动电路对电荷泵输出电压的要求，线性电压调节器将与第二电容C2的第一电极NC上的泵电压Vo1转换成介于Vin与2*Vin之间的输出电压Vout。虽然线性电压调节器有效地将固定的泵电压Vo1转换成介于Vin与2*Vin之间的可调整输出电压Vout，但是线性电压调节器造成转换效率下降而浪费能源的缺点。

如图2所示，步进电机驱动芯片H桥驱动电压与电源电压关系其电源电压范围变化大，且要求H桥驱动电压跟随输入电压线性变化，线性稳压器在高压环境下难以正常工作，也不能保持输出电压跟随输入电压呈线性变化关系。因此，现有的电荷泵在不改变其拓扑结构下很难满足这一要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种输出电压跟随输入电压线性变化的用于步进电机的电荷驱动电路系统。

本发明用于电机的电荷驱动电路，至少包括电荷泵转换电路和反馈控制电路，其中所述电荷泵转换电路至少包括由一对PMOS开关管和一对NMOS开关管以及第一电容构成的H桥拓扑结构、耦合于地面电位和输出端之间的第二电容，其中所述的一对PMOS开关管和一对NMOS开关管分别各自连接第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器；

所述反馈控制电路，生成脉冲宽度信号，控制所述的PMOS开关管和NMOS开关管的导通与关断，基于所述PMOS开关管和所述NMOS开关管的导通与关断控制所述电荷泵转换电路分别处于第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，其中，第一阶段，第一电容完成充电，第二电容不断向外输出电流；电第二阶段，第一电容既不充电也不放电，第二电容继续向外输出电流；第三阶段，第一电容放电，对第二电容进行充电，并且向输出负载提供电流；第四阶段，第 一电容处于浮置状态，第二电容向外输出电流，电荷泵完成一个周期的充放电过程。

进一步地，所述反馈控制电路至少包括OSC震荡器、电压比较器以及脉冲宽度调制器，其中所述电压比较器用于检测电容两极板的电压和输出电压的大小，根据检测结构生成脉冲宽度调制信号，控制所述的开关管的导通与截止。

本发明有益效果：

本发明实现了一种能够用于步进电机的电荷泵升压电路，该电荷泵电路的输出电压跟随输入电压线性变化，可以作为步进电机的高压DMOS管的驱动电路，具有较高的转换效率和比较简单的结构。

附图说明

图1现有技术中的带有稳压装置的电荷泵电路的示意图；

图2是步进电机驱动芯片H桥驱动电压与电源电压关系；

图3是本发明用于步进电机的电荷泵驱动电路系统的电路示意图；

图4是本发明用于步进电机的电荷泵驱动电路系统输出电压VCP检测电路示意图；

图5是本发明用于步进电机的电荷泵驱动电路系统第一电容左极板电压CP1检测电路示意图；

图6是本发明用于步进电机的电荷泵驱动电路系统驱动器2电路图；

图7是本发明用于步进电机的电荷泵驱动电路系统电荷泵工作时钟信号与脉冲信号电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

如图3所示，本实施例用于步进电机的电荷泵驱动电路系统，升压电荷泵电路具有电荷泵转换电路和反馈控制电路。反馈控制电路控制PMOS开关管和 NMOS开关管的导通与关断，使得所述电荷泵电路分别工作于第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，在不同的阶段完成对泵电容的充电与放电，对输出电容的充电，从而完成电荷泵所需要的升压功能。在双反馈控制电路的作用下，电荷泵电路将输入电压Vin升压为步进电机驱动芯片所需要的跟随输入电压线性变化的电压Vout。

本实施例，所描述的升压电荷泵电路，其具有输出端、电荷泵转换电路以及反馈控制电路。该输出端口分别接第二电容Cout和输出负载，第二电容向负载提供输出电流。该电荷泵转换电路具有第一电容Cpump、第二电容Cout、一对NMOS开关电路和PMOS开关电路。第二电容Cout耦合于该输出端与地面参考电位之间。反馈控制电路控制NMOS开关电路和PMOS开关电路的导通与关断，使电荷泵转换电路分别工作于第一阶段、第二阶段、第三阶段以及第四阶段。在第一阶段中，MN1导通，MN2截止，MP1截止，MP2导通，第一电容Cpump耦合于地信号与输入电压之间，第二电容Cout耦合于输出负载和地之间；在该第二阶段中，MN1截止，MN2截止，MP1截止，MP2导通，第一电容Cpump左极板悬空，右极板接电源，第二电容Cout耦合于输出负载和地之间；在第三阶段，MN1截止，MN2导通，MP1导通，MP2截止，第一电容Cpump耦合于输入电压与输出端之间，第二电容耦合于输出端与地之间；在第四阶段中，MN1截止，MN2截止，MP1截止，MP2截止，第一电容Cpump的左极板与右极板皆处于浮置状态，第二电容Cout耦合于输出端与地之间。电荷泵工作于第一阶段时，第一电容Cpump完成充电，第二电容不断向外输出电流；电荷泵工作于第二阶段时，第一电容Cpump既不充电也不放电，第二电容Cout继续向外输出电流；电荷泵工作于第三阶段时，第一电容Cpump放电，对第二电容Cout进行充电，并且向输出负载提供电流；电荷泵工作于第四阶段时，第一电容Cpump处于浮置状态，第二电容向外输出电流，电荷泵完成一个周期的充放电过程。电荷泵通过不断地充电与放电重复，来维持输出电压VCP的稳定。

如图4所示，是本实施例的输出电压VCP检测电路。区别于以往的输出电 压检测电路，本发明的输出检测电路检测之重点在于输出电压与电源电压之压差VCP-VBB。并且VCP电压变化范围大，普通MOS管无法在高压环境下使用，故不可以用于VCP检测。本电路引入高压PNP管，其集电极与发射极之间耐压可达到60V，将检测电压VCP接高压PNP管发射极，电源电压VBB接高压PNP管基极，同时引入补偿电流VBE/R，则

合理设置R1与R2的大小，即完成了对VCP阈值检测电压的设定：VCP_TH＝VBB+V_refR₁/R₂。

设置Vref电压、R1以及R2大小，即可灵活设置VCP的阈值电压，且VCP检测阈值电压跟随VBB线性变化。

如图5所示，本实施例的第一电容左极板电压CP1检测电路。与VCP检测电路类似，本检测电路也引入了补偿电流VBE/R1，则由图4

在获得V01与(VBB-VCP1)的线性关系的同时，亦可得到公式公式

根据公式可方便的设置第二电容左极板的充电阈值电压。

图6所示是本发明的驱动器2电路图。图6中R1＝M*R2，MN1和M1的宽长比比例为N，电路设计中电阻R2阻值很小，R2*Ir2＜＜Vth，则流过MN1电流大小即为

Iout＝I_ref×(M-1)×(N+1)

合理设置Iref电流大小，电阻R2和R1比例以及MN1管M1管宽长比比例，即可得到理想的放电电流，配合CP1电压检测模块，可以较好的设置第一电容 Cpump充电电压大小。

下面根据本发明电荷泵的信号波形图6详细说明本发明中电荷泵的工作过程。

当电荷泵电路上电之后，振荡器OSC不断输出占空比为50％的方波信号至脉冲信号调制单元，即为图7所示的时钟信号CLK。在图6所示的信号波形中，VCP_DET为输出电压检测模块的检测结果，当检测结果为低电平时候，表示输出结果低于预设电压输出值。当检测结果为高电平时，说明输出电平高于预设输出值。CP1_DET为第一电容左极板电压检测结果，当检测结果为低电平时，说明左极板电压CP1高于设定值，当检测结果为高电平时，说明左极板CP1低于设定值。PHASEA、PHASEB和PHASEC分别为驱动器1和4、驱动器3以及驱动器2的输入信号。信号为零时则关闭开关管，信号为1时则打开开关管。通过开关管的不断打开与关闭，第二电容Cout不断地充电与放电，从而保持了输出电压的平稳，达到理想的输出电压效果值。

在时间t0阶段，电荷泵工作于第一阶段，时钟信号为低电平，驱动器1关闭第一PMOS管MP1，驱动器2打开第一NMOS管MN1，驱动器3打开第二PMOS管MP2，驱动器4关闭第二NMOS管MN2。第一电容Cpump左极板接地，右极板接电源，第一电容Cpump左极板电压不断降低，右极板电压不变，完成充电过程，直至两极板压差达到指定阈值(CP1＜CP1TH)，电荷泵电路进入第二阶段(时间t1段)。第二电容Cout向外输出电流，输出电压VCP不断降低。

在时间t1阶段，电荷泵工作与第二阶段，时钟信号为低电平，驱动器1关闭第一PMOS管MP1，驱动器2关闭第一NMOS管MN1，驱动器3打开第二PMOS管MP2，驱动器4关闭第二NMOS管MN2。第一电容Cpump左极板悬空，电压大小不变，右极板接电源。第二电容Cout继续向外输出电流，输出电压VCP不断降低，直至时钟信号高电平到来，电荷泵进入第三阶段(时间t2段)。

在时间t2阶段，电荷泵工作于第三阶段，时钟信号为高电平，驱动器1打 开第一PMOS管MP1，驱动器2关闭第一NMOS管MN1，驱动器3关闭第二PMOS管MP2，驱动器4打开第二NMOS管MN2。第一电容Cpump左极板电压迅速上升为VBB，右极板电压也跟随上升为2VBB-CP1th，右极板电压高于VCP，第一电容Cpump对外放电，向外输出电流，并对第二电容Cout进行充电，伴随着第二电容Cout不断充电，输出电压不断上升，直至输出电压高于阈值电压VCPth，电荷泵进入第四阶段(时间t3段)。

在时间t3阶段，电荷泵工作于第四阶段，时钟信号为高电平，驱动器1关闭第一PMOS管MP1，驱动器2关闭第一NMOS管MN1，驱动器3关闭第二PMOS管MP2，驱动器4关闭第二NMOS管MN2。第一电容Cpump处于悬浮状态，第二电容Cout向外放电，输出电压大小不断降低，直至时钟信号再次跳变为低电平，电荷泵再次进入第一阶段，重复t0时间段。

以上详细描述了本发明的一个具有输出电压跟随输出电压线性变化、输出电压纹波小、转换效率高、结构简单等优点的具体实施例。

对本发明应当理解的是，以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限定本发明，凡是在本发明的精神原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种用于步进电机的电荷泵驱动电路系统，其特征在于：至少包括电荷泵转换电路和反馈控制电路，其中所述电荷泵转换电路至少包括由一对PMOS开关管和一对NMOS开关管以及第一电容构成的H桥拓扑结构、耦合于地面电位和输出端之间的第二电容，其中所述的一对PMOS开关管和一对NMOS开关管分别各自连接第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器；

所述反馈控制电路，生成脉冲宽度信号，控制所述的PMOS开关管和NMOS开关管的导通与关断，基于所述PMOS开关管和所述NMOS开关管的导通与关断控制所述电荷泵转换电路分别处于第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，其中，第一阶段，第一电容完成充电，第二电容不断向外输出电流；电第二阶段，第一电容既不充电也不放电，第二电容继续向外输出电流；第三阶段，第一电容放电，对第二电容进行充电，并且向输出负载提供电流；第四阶段，第一电容处于浮置状态，第二电容向外输出电流，电荷泵完成一个周期的充放电过程；

所述反馈控制电路至少包括OSC震荡器、电压比较器以及脉冲宽度调制器，其中所述电压比较器用于检测电容两极板的电压和输出电压的大小，根据检测结果生成脉冲宽度调制信号，控制所述的开关管的导通与截止；

所述电压比较器包括输出电压检测电路，所述输出电压检测电路包括高压PNP管、补偿电流电路，用于检测输出电压与电源电压之压差，所述高压PNP管的发射极与所述输出电压相接，所述高压PNP管的基极与所述电源电压相接。