CN110069090A - 高压霍尔位置传感器芯片稳压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，包括：高压晶体管M1，高压晶体管M1的漏极与电源VDD连接；电压基准和增益单元，电压基准和增益单元的输入端与高压晶体管M1的源极连接，电压基准和增益单元的输出端与高压晶体管M1的栅极连接。与现有技术相比，本发明具有以下优点：解决了电机用霍尔位置传感器电源端的耐高压问题，使得传感器芯片的可靠性有了实质性的提高；整体稳压电路结构简单，高压器件少；解决了霍尔传感器低电压正常工作的问题，和一般稳压电路相比具有更低的工作电压。

Description

高压霍尔位置传感器芯片稳压电路
技术领域
本发明涉及一种高压霍尔位置传感器芯片稳压电路。
背景技术
霍尔效应磁传感器广泛的应用于各行各业。在无刷电机领域，霍尔传感器用于无刷电机内部磁钢位置的检测，并实时输出其位置信号给电机控制器用于电机转动控制。随着无刷电机制作工艺的成熟和对性能要求的提高，对于霍尔传感器芯片的要求也在提高，主要体现在以下几个方面：
1)高耐压：随着电动交通工具的发展，人们希望交通工具能更快更远的行驶，这就需要选用更大容量及更高电压的电池供电系统。对于置于电机内部用于检测磁钢位置的霍尔位置传感器芯片来说，随着电机供电电压的升高，对芯片的端口耐压也有了新的需求。
2)低电压工作：电机控制器的内部主控芯片(MCU，DSP等)都向着降低工作电压方向发展，如从原来的5V供电向着3.3V供电发展。这也带动了霍尔位置传感器芯片在低电压下工作的需求。
3)宽工作温度范围：电机工作温度范围广，需要适应-40度到150度甚至到更高的温度范围，而霍尔位置传感器芯片和电机本体是在一起的，这就需要传感器芯片也能适应宽的工作温度范围。
4)小型封装体积要求：霍尔传感器作为磁钢位置检测需要插入到电机内部，电机本身内部空间有限，需要霍尔传感器芯片的封装体积尽量小。
图1为现有的直流无刷电机系统100。一般直流无刷电机主要有三个部分组成。电机供电系统101，电机控制及驱动器102以及电机本体103和三个霍尔位置传感器芯片104。其中105为电机供电的三相UVW电源，以及三个霍尔位置传感器芯片的电源、地及三根对应的位置反馈信号线。一般三相UVW电源105这几根线在实际应用中都是捆绑在一起进行连接的。
电机在转动过程中，UVW线上会产生方波波形，其最高电压可以达到电机供电系统的电压值。由于线束之间有杂散的寄生电容和电感的存在，其霍尔传感器信号线会受到UVW线的干扰也会产生很高的电压尖峰。经实际测试，其尖峰电压偶尔甚至比电机供电电压还高出1.5倍到2倍。另外插入到电机内部的芯片，在电机转动过程中会受到由电机线圈产生很多高频高压的尖峰电压。为了使得这些尖峰电压不至于损毁霍尔传感器芯片，这就需要芯片自身要有很高的耐高压特性。假设如果电机供电电压是48V，为了是霍尔传感器芯片安全可靠，必须将芯片的耐压提高到72V甚至96V以上。如果电机供电电压的进一步提高，相对于对霍尔传感器芯片的耐压要求也要相应的提高。
图2是一般霍尔传感器芯片的内部功能框图200。芯片供电电源VDD进来后需要经过稳压模块201进行稳压，产生VREG电压给芯片内部电路模块供电。202包含了霍尔传感器单元，放大器，比较器，驱动电路等主信号处理模块，之后由MOSFET或NPN203通过漏极开路或集电极开路输出(open Drain或open Collect)。因为不是超高压设计，漏极开路或集电极开路输出的输出管耐压一般在80V以下，在实际工作中还是会发现损毁的现象。
图3介绍一般霍尔传感器芯片的稳压模块电路结构300。为了兼顾内部稳压电压VREG的高频动态稳压特性，输出功率管301一般会选用NPN或NMOSFET作为输出调整管，但这样VDD和VREG的压差就不能做小，对应的芯片就不能在较低的电源电压下工作。同时输出调整管301在电源刚上电时需要高压启动电路304来完成电路工作状态的建立，这样就增加了电路的复杂性，而且因为电路需要用到的高压管较多，增加了芯片面积，芯片小型化封装会受到限制。所以电源端的耐压一般只能做到100V以下。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种确保芯片电源输入端和输出端都具有耐高压特性兼顾VDD和VREG的低压差且结构简单、适应芯片小型性封装的高压霍尔位置传感器芯片稳压电路。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，包括：高压晶体管M1，所述高压晶体管M1的漏极与电源VDD连接；电压基准和增益单元，所述电压基准和增益单元的输入端与所述高压晶体管M1的源极连接，所述电压基准和增益单元的输出端与所述高压晶体管M1的栅极连接。
优选地，所述高压晶体管M1为结型场效应管或耗尽型晶体管。
优选地，所述电压基准和增益单元包括相互连接的电压基准和增益组件及输出极；其中所述电压基准和增益组件的输入端与所述高压晶体管M1的源极连接，所述输出极与所述高压晶体管M1的栅极连接。
优选地，所述电压基准和增益组件包括：三极管Q1，所述三极管Q1的集电极、所述三极管Q1的基极分别与所述高压晶体管M1的源极连接；电阻R2，所述电阻R2的一端与所述三极管Q1的发射极连接；三极管组件Q3，所述三极管组件Q3的集电极与所述电阻R2的另一端连接；电阻R4，所述电阻R4的一端与所述三极管组件Q3的发射极连接，所述电阻R4的另一端接地；电阻R3，所述电阻R3的一端与所述三极管Q1的发射极连接；三极管Q2，所述三极管Q2的集电极与所述电阻R3的另一端连接，所述三极管Q2的集电极与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的发射极接地。
优选地，所述输出极包括：电阻R1，所述电阻R1的一端与所述高压晶体管M1的源极连接，所述电阻R1的另一端与所述高压晶体管M1的栅极连接；三极管Q4，所述三极管Q4的集电极与所述电阻R1的另一端连接，所述三极管Q4的集电极与所述高压晶体管M1的栅极连接，所述三极管Q4的基极与所述三极管组件Q3的发射极连接，所述三极管Q4的发射极接地。
优选地，所述三极管组件Q3包括一个三极管或多个并联的三极管。
优选地，所述高压霍尔位置传感器芯片稳压电路还包括反馈单元，所述反馈单元的的输入端与所述高压晶体管M1的源极连接，所述反馈单元的输出端与所述电压基准和增益组件的输入端连接。
优选地，所述反馈单元包括：电阻R5，所述电阻R5的一端与所述高压晶体管M1的源极连接，所述电阻R5的另一端与所述三极管Q1的基极连接；电阻R6，所述电阻R6的一端与所述电阻R5的另一端连接，所述电阻R6的一端与所述三极管Q1的基极连接，所述电阻R6的另一端接地。
与现有技术相比，本发明高压霍尔位置传感器芯片稳压电路具有以下优点：
1)解决了电机用霍尔位置传感器电源端的耐高压问题，使得传感器芯片的可靠性有了实质性的提高；
2)整体稳压电路结构简单，高压器件少；
3)解决了霍尔传感器低电压正常工作的问题，和一般稳压电路相比具有更低的工作电压。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为现有技术直流无刷电机系统原理图；
图2为现有技术霍尔传感器芯片的内部功能框图；
图3为现有技术霍尔传感器芯片的稳压模块电路图；
图4为本发明高压霍尔位置传感器芯片稳压电路的内部功能框图；
图5为本发明高压霍尔位置传感器芯片稳压电路实施例一电路图；
图6为本发明高压霍尔位置传感器芯片稳压电路实施例二电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和修改。
整体芯片采用高耐压设计。芯片电源输入端的稳压电路内部采用JFET或Depletion MOS晶体管以及反馈回路提供内部稳压。
如图4所示，本发明高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，产生稳定的VREG信号为整个芯片提供电源。内部只包含一个高压晶体管M1，其实际形式可以是N结型场效应管(N-JFET)或N耗尽型晶体管(Depletion NMOSFET)，其栅极电压受控于电压基准和增益单元402和反馈单元403。由于高压晶体管M1本身具有长开启特性，因此本发明的电路结构中不需要高压启动电路，只要VDD一供电，整个电路环路就能建立开始正常工作，其电路结构简单。因为除了高压晶体管M1为一个高压器件，电压基准和增益单元402和反馈单元403采用的器件均为低压器件。这样高压晶体管M1可以选择更高耐压的器件，突出其耐高压特性，同时兼顾小型化封装。同时因为高压晶体管401是负开启电压，因此在VDD和VREG之间可以做到很低的压降，可以在相对低的工作电压下正常工作。
实施例一
如图5所示，高压晶体管M1结型场效应管(JFET)或耗尽型晶体管(DepletionMOSFET)。由三极管Q1，三极管Q2，三极管组件Q3(本实施例采用多个并联的三极管)以及电阻R2，电阻R3，电阻R4组成电压基准和增益组件以及完成VREG的取样。三极管Q4和电阻R1组成负反馈回路的输出级。当电源VDD供电时，由于VREG还没建立到稳定的电压，三极管Q4输出关闭，高压晶体管M1的栅极电压等于它的源极电压，即VGS(高压晶体管M1的漏极和源极之间的电压)电压为0。因为高压晶体管M1的开启电压为负，所以电路还是能正常启动。当VREG上升到电压为2×VBE2+(P+电阻R2/电阻R4)×VTlnN时，环路通过负反馈调节高压晶体管M1的栅极电压达到稳定状态，其中VBE2为三极管Q2的基极与发射极之间的电压差，P为Q2的个数(本实施例中P＝1)，VT为温度的电压当量、是常数，N＝M:P、M为三极管组件Q3中三极管的个数。VREG最后的电压稳定在2.5V左右，且输出电压和温度无关。在整个超高压稳压模块电路里面，除了高压晶体管M1为超高压管外，其他器件都为低压器件，达到了芯片面积小，适合小型性封装的目的。
如图6所示，高压晶体管M1为结型场效应管(JFET)或耗尽型晶体管(DepletionMOSFET)。由三极管Q1，三极管Q2，三极管组件Q3(本实施例采用多个并联的三极管)以及电阻R2，电阻R3，电阻R4组成带隙基准组件以及电阻R5和电阻R6组成反馈单元来完成VREG的取样。三极管Q4和电阻R1组成负反馈回路的输出级。当电源VDD供电时，由于VREG还没建立到稳定的电压，三极管Q4输出关闭，高压晶体管M1的栅极电压等于它的源极电压，即VGS(高压晶体管M1的漏极和源极之间的电压)电压为0。因为高压晶体管M1的开启电压为负，所以电路还是能正常启动。当VREG上升到电压为(电阻R5+电阻R6)×(2×VBE2+(P+电阻R2/电阻R4)×VTlnN)/电阻R6时，环路通过负反馈调节M1的栅极电压达到稳定状态，其中VBE2为三极管Q2的基极与发射极之间的电压差，P为Q2的个数(本实施例中P＝1)，VT为温度的电压当量、是常数，N＝M:P、M为三极管组件Q3中三极管的个数。VREG最后的电压稳定在2.5V×(电阻R5+电阻R6)/电阻R6左右，且输出电压和温度无关。在整个超高压稳压模块电路里面，除了高压晶体管M1为超高压管外，其他器件都为低压器件，达到了芯片面积小，适合小型性封装的目的。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，其特征在于，包括：
高压晶体管M1，所述高压晶体管M1的漏极与电源VDD连接；
电压基准和增益单元，所述电压基准和增益单元的输入端与所述高压晶体管M1的源极连接，所述电压基准和增益单元的输出端与所述高压晶体管M1的栅极连接。
2.根据权利要求1所述的高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，其特征在于，所述高压晶体管M1为结型场效应管或耗尽型晶体管。
3.根据权利要求2所述的高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，其特征在于，所述电压基准和增益单元包括相互连接的电压基准和增益组件及输出极；其中
所述电压基准和增益组件的输入端与所述高压晶体管M1的源极连接，所述输出极与所述高压晶体管M1的栅极连接。
4.根据权利要求3所述的高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，其特征在于，所述电压基准和增益组件包括：
三极管Q1，所述三极管Q1的集电极、所述三极管Q1的基极分别与所述高压晶体管M1的源极连接；
电阻R2，所述电阻R2的一端与所述三极管Q1的发射极连接；
三极管组件Q3，所述三极管组件Q3的集电极与所述电阻R2的另一端连接；
电阻R4，所述电阻R4的一端与所述三极管组件Q3的发射极连接，所述电阻R4的另一端接地；
电阻R3，所述电阻R3的一端与所述三极管Q1的发射极连接；
三极管Q2，所述三极管Q2的集电极与所述电阻R3的另一端连接，所述三极管Q2的集电极与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的发射极接地。
5.根据权利要求4所述的高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，其特征在于，所述输出极包括：
电阻R1，所述电阻R1的一端与所述高压晶体管M1的源极连接，所述电阻R1的另一端与所述高压晶体管M1的栅极连接；
三极管Q4，所述三极管Q4的集电极与所述电阻R1的另一端连接，所述三极管Q4的集电极与所述高压晶体管M1的栅极连接，所述三极管Q4的基极与所述三极管组件Q3的发射极连接，所述三极管Q4的发射极接地。
6.根据权利要求5所述的高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，其特征在于，所述三极管组件Q3包括一个三极管或多个并联的三极管。
7.根据权利要求6所述的高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，其特征在于，所述高压霍尔位置传感器芯片稳压电路还包括反馈单元，所述反馈单元的的输入端与所述高压晶体管M1的源极连接，所述反馈单元的输出端与所述电压基准和增益组件的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的高压霍尔位置传感器芯片稳压电路，其特征在于，所述反馈单元包括：
电阻R5，所述电阻R5的一端与所述高压晶体管M1的源极连接，所述电阻R5的另一端与所述三极管Q1的基极连接；
电阻R6，所述电阻R6的一端与所述电阻R5的另一端连接，所述电阻R6的一端与所述三极管Q1的基极连接，所述电阻R6的另一端接地。
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