CN113949254B - 一种h桥驱动电路的钳位保护功能控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，其包括一芯片外部的H桥驱动电路，其第一侧和第二侧的下管的连接点为采样点，其通过采样电阻接地，该采样点同时与第一侧位保护功能电路和第二侧钳位保护功能电路相连，第一侧钳位保护功能电路设置为：在电流换相过程中的续流阶段，驱动第一侧的下管弱导通；第二侧钳位保护功能的功能类似。本发明还提供相应的钳位保护功能控制方法。本发明的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统通过设置钳位保护功能电路将原本截止的下管变为弱导通，将续流路径变为以下管续流为主，使得采样电阻上负压变小，有效解决了换相控制续流阶段对电源或H桥开关管的冲击，便于保护系统安全，增强可靠性。

Description

一种H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统及方法
技术领域
本发明涉及H桥驱动电路，具体涉及一种H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统及方法。
背景技术
H桥预驱驱动芯片被广泛的应用于直流无刷电机中。传统的H桥驱动电路，H桥的上管一般采用PMOS管，H桥的下管一般采用NMOS管。在驱动电流较大的应用场合下，H桥换相控制时，由于电机负载的电感特性，电流大小方向不能突变，从而会有负载续流状态，续流时由于原来的导通开关管已经截止，切换为另一端的开关管导通，会造成换相初始阶段有较大电流从地流向电源电压，因此有较大风险引起供电端上所连接电源或相关元件损坏。
如图1所示，外部H桥的左上管M1、右上管M2都为PMOS管，左下管M3、右下管M4都为NMOS管，假设原有驱动方式为右上管M2导通，左下管M3导通，其余开关管截止，电流方向为第二侧输出端O2流过负载L1流向第一侧输出端O1。换相控制时，右上管M2和左下管M3会先后截止，截止完成后，右下管M4和左上管M1会先后导通，从而完成H桥换相控制，但是由于负载电感L1电流大小和方向不能突变，所以第二侧输出端O2会形成对地负压，第一侧输出端O1会形成高于电源电压的电位，保持电流从地流经右下管M4到第二侧输出端O2(当右下管M4处于关闭状态时，电流会从地流经右下二极管D4到第二侧输出端O2)，从第二侧输出端O2流入负载L1，负载L1流出电流到第一侧输出端O1，第一侧输出端O1再流经左上管M1到电源。为保护电源安全，系统板上会在电源输出端加上一个反偏二极管D5和一个较大的电容C1，来阻隔较大电流反灌入电源的影响和平缓供电端的电压波动，但是该处理依然避免不了反偏二极管D5之后H桥供电端所提供的H桥供电电压VCC2上升，会造成H桥的PMOS开关管即左上管M1和右上管M2承压，存在耐压不够的击穿风险。
为了解决H桥上存在的换相续流阶段的耐压风险，需要设计一种新型的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统及方法，以减小H桥换相控制续流阶段所引起的对电源或H桥开关管的冲击，使系统工作更安全可靠。
为了实现上述目的，本发明提供了一种H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，其包括一芯片外部的H桥驱动电路，所述H桥驱动电路在两侧分别具有第一侧输出端和第二侧输出端，第一侧输出端和第二侧输出端之间设有一具有电感特性的负载，所述H桥驱动电路具有4个开关管，分别是第一侧的上管和下管以及第二侧的上管和下管，4个开关管的栅极分别与一H桥驱动信号产生电路的4个信号输出端一一对应地连接，所述第一侧和第二侧的下管的连接点为采样点，其通过一采样电阻接地，该采样点同时与第一侧钳位保护功能电路和第二侧钳位保护功能电路相连，所述第一侧钳位保护功能电路与第一侧的下管的栅极相连，且所述第二侧钳位保护功能电路与第二侧的下管的栅极相连；所述第一侧钳位保护功能电路设置为：在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端的过程中的续流阶段，驱动第一侧的下管弱导通；所述第二侧钳位保护功能电路设置为：在电流从第一侧输出端流向第二侧输出端的换相为从第二侧输出端流向第一侧输出端的过程中的续流阶段，驱动第二侧的下管弱导通。
在续流阶段，驱动开关管弱导通是指：在从地流入采样电阻的电流值大于等于稳态时的采样电压除以采样电阻的值时，开关管从截止状态变为弱导通状态以使得采样电压减小至或保持在稳态时的采样电压，在从地流入采样电阻的电流值小于稳态时采样电压除以采样电阻的值时，开关管恢复截止状态。
所述第一侧钳位保护功能电路和第二侧钳位保护功能电路设置为对采样电阻上的采样电压进行采样并转化为电流信号，经过放大处理后分别转化为用于驱动第一侧的下管弱导通的第一侧驱动控制信号和用于驱动第二侧的下管弱导通的第二侧驱动控制信号。
所述H桥驱动信号产生电路设置为：通过4个信号输出端输出与4个开关管一一对应的4个驱动电路控制信号；在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端之前，所述驱动电路控制信号使得第二侧的上管和第一侧的下管的接收信号为持续的导通信号，且第二侧的下管和第一侧的上管对应的驱动电路的接收信号为持续的截止信号；在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端之后，所述驱动电路控制信号使得第二侧的上管和第一侧的下管的接收信号为持续的截止信号，第二侧的下管的接收信号和第一侧的上管的接收信号为持续的导通信号。
所述H桥驱动电路的上管都是PMOS管，下管都是NMOS管；第一侧和第二侧的上管的源极均与一芯片的电源电压经过一反偏二极管连接，反偏二极管的远离电源电压的一端为H桥供电端。
4个开关管与4个驱动电路一一对应，并且4个开关管的栅极分别通过各自对应的驱动电路与H桥驱动信号产生电路204的4个信号输出端对应连接；
每个驱动电路的输出部分均包括依次连接的PMOS管和NMOS管，PMOS和NMOS管之间设有一驱动电路输出端，每个驱动电路分别通过其驱动电路输出端与对应的开关管的栅极连接；所述驱动电路的PMOS管的源极为供电端，其漏极与NMOS管的漏极连接，驱动电路的NMOS管的源极接地，所述驱动电路的PMOS管的栅极与驱动电路的NMOS管的栅极分别连接各自的栅极控制信号，所述栅极控制信号通过驱动电路的输入端的同一驱动电路控制信号转化后得到。
所述驱动电路的供电端均与所述H桥供电端相连，以接收H桥供电电压VCC2，所述驱动电路均设置为将各个开关管的接收信号为导通信号时的电平转化为与H桥供电电压或地具有一固定压差。
另一方面，本发明提供一种H桥驱动电路的钳位保护功能控制方法，包括：
S1：提供上文所述的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统；
S2：所述H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统的H桥驱动信号产生电路输出与4个开关管一一对应的4个驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第二侧的上管和第一侧的下管的接收信号为持续的导通信号，从而使得第二侧的上管和第一侧的下管导通，且第二侧的下管和第一侧的上管对应的驱动电路的接收信号为持续的截止信号，从而使得第二侧的下管和第一侧的上管截止；
S3：所述H桥驱动信号产生电路输出与第二侧的上管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第二侧的上管的接收信号切换为截止信号，使得第二侧的上管截止完成；
S4：所述H桥驱动信号产生电路输出与第一侧的下管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第一侧的下管的接收信号切换为截止信号，使得第一侧的下管截止完成；
S5：当第二侧的上管和第一侧的下管都截止完成时，所述H桥驱动信号产生电路输出与第二侧的下管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第二侧的下管的接收信号切换为导通信号，以使得对应的第二侧的下管开始导通，并导通一段时间；
S6：当第二侧的上管和第一侧的下管都截止完成时，所述H桥驱动信号产生电路输出与第一侧的上管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第一侧的上管的接收信号切换为导通信号，以使得对应的开关管开始导通，并导通一段时间；
S7：在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端的过程中的续流阶段，利用第一侧钳位保护功能电路驱动第一侧的下管弱导通；
S8：将第一侧作为新的第二侧，将第二侧作为新的第一侧，重复上述步骤S2-步骤S7。
所述步骤S7包括：利用所述第一侧钳位保护功能电路实时地对采样电阻上的采样电压进行采样，在从地流入采样电阻的电流值大于等于稳态时的采样电压除以采样电阻的值时，驱动第一侧的下管从截止状态变为弱导通状态以使得采样电压减小至或保持在稳态时的采样电压，并维持稳态一段时间，直到从地流入采样电阻的电流值减小为稳态时采样电压除以采样电阻的值以下为止；此时，第一侧的下管恢复为截止状态。
在所述步骤S7中，在利用第一侧钳位保护功能电路在对采样电阻上的采样电压进行采样之后，将其转化为电流信号，经过放大处理后转化为用于驱动第一侧的下管弱导通的第一侧驱动控制信号。
对于H桥驱动电路，当H桥由第二侧输出端为高电位换相控制为第一侧输出端为高电位时，由于负载的电感特性，负载电流保持原有的电流方向，所以第一侧输出端电平会形成高于H桥供电端的电压，第二侧输出端电平会形成低于地的负电压，因此会从地抽取电流，所以这时与下管NMOS源极相连的采样电阻同样会从地抽取电流来维持负载电流，因此该电阻上会出现负压，原H桥驱动负载的电流越大，则初始续流时刻的负压值越大。
本发明的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，通过设置钳位保护功能电路将原本截止的下管变为弱导通，将续流路径变为以下管续流为主，使得采样电阻上负压变小，有效解决了H桥换相控制续流阶段所引起的对电源或H桥开关管的冲击，减小电源电压对滤波电容的依赖、降低对H桥开关MOS管耐压能力的要求、便于保护系统安全，增强可靠性。具体来说，钳位保护功能电路通过采样该采样电阻上的负压的采样电压值，再经过内部转化为电流信号，再放大后转化输出驱动控制信号，驱动截止的下管变为弱导通，H桥双下管都导通，采样电阻上电压变小，这样的固定反馈回路形成稳态，从而将原有的通过上管PMOS到电源电压的续流电流减少为一固定较小值。
附图说明
图1为传统的H桥驱动电路的换相控制续流电路的原理图。
图2为根据本发明的一个实施例的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统的原理图。
图3为传统的H桥驱动电路的换相控制续流电路的信号图。
图4为根据本发明的一个实施例的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统的钳位保护功能电路的具体实施电路图。
图5为根据本发明的一个实施例的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统的信号图。
图6为根据本发明的一个实施例的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统的具体实施电路图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
图1为传统的H桥驱动电路换相控制续流的原理图，图2为根据本发明的一个实施例的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统的原理图。如图1和图2所示，H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，与传统的H桥驱动电路换相控制续流电路类似，同样包括一芯片外部的H桥驱动电路200，该H桥驱动电路200具有4个开关管，4个开关管包括两个上管(包括第一侧的上管和第二侧的上管)和两个下管(包括左下管M3、右下管M4)，4个开关管的上管均为PMOS管，下管为NMOS管。左上管M1和右上管M2的源极均通过一反偏二极管D5与一芯片的电源的正极连接，以接收电源电压VCC1，且反偏二极管D5与左上管M1的源极的连接点与一滤波电容C1相连，反偏二极管的远离电源电压的一端为H桥供电端。在本实施例中，第一侧为左侧，第二侧为右侧，第一侧的上管和第二侧的上管分别是左上管M1、右上管M2，第一侧的下管和第二侧的下管分别是左下管M3、右下管M4。
左下管M3和右下管M4的源极均接地，所述H桥驱动电路200在左侧(左上管M1的漏极和左下管M3的漏极之间)具有第一侧输出端O1，且所述H桥驱动电路200在右侧(右上管M2的漏极和右下管M4的漏极之间)具有第二侧输出端O2，且第一侧输出端O1和第二侧输出端O2之间设有一具有电感特性的负载L1(如电机线圈)。
在其他实施例中，也可以替换成第一侧是右侧，第二侧为左侧。
4个开关管的栅极分别与4个驱动电路201、202、205、206连接，即左上管M1、右上管M2、左下管M3和右下管M4的栅极分别与第一侧上管驱动电路201、第二侧上管驱动电路205、第一侧下管驱动电路202和第二侧下管驱动电路206连接，这些驱动电路设置为给H桥驱动电路200的左上管M1、右上管M2、左下管M3和右下管M4的栅极充电或者放电，使其达到导通或者截止。
每个驱动电路的输出部分均包括依次连接的PMOS管PM和NMOS管NM(如图6)，PMOS管的漏极和NMOS管的漏极相连，且连接点与一驱动电路输出端相连，每个驱动电路201、205、202、206分别通过其驱动电路输出端与对应的开关管(即左上管M1、右上管M2、左下管M3和右下管M4)的栅极连接。所述驱动电路201、205、202、206的输出部分的PMOS管的源极为供电端，NMOS管的源极接地。驱动电路的PMOS管PM的栅极与NMOS管NM的栅极分别连接各自的栅极控制信号，各自的栅极控制信号通过驱动电路的输入端的同一驱动电路控制信号经驱动电路内部的转化电路转化后得到。与左上管M1和右上管M2对应的驱动电路(即第一侧上管驱动电路201、第二侧上管驱动电路205)的供电端均与上文所述的H桥供电端相连，且与左下管M3和右下管M4对应的驱动电路(第一侧下管驱动电路202和第二侧下管驱动电路206)的供电端均与上文所述的反偏二极管D5相连，以接收反偏二极管D5和滤波电容C1下游的H桥供电端所提供的H桥供电电压VCC2来为第一侧上管驱动电路201、第二侧上管驱动电路205供电，为第一侧下管驱动电路202和第二侧下管驱动电路206提供驱动电压。
所述第一侧上管驱动电路201、第二侧上管驱动电路205、第一侧下管驱动电路202和第二侧下管驱动电路206均为常规的提供电平位移(level shift)的电路，且均设置为将各个开关管的接收信号为导通信号时的电平转化为与H桥供电电压或地具有一固定压差。所述的第一侧上管驱动电路201、第二侧上管驱动电路205设置为提供电平位移(levelshift)以将对应的PMOS开关管(即左上管M1、右上管M2)的栅源电压差位移在10V以内即经过电平位移所输出的接收信号为导通信号时的低电平为VCC2-10V。这是由于常规的PMOS开关管的源极连接H桥供电端，接收的电压为H桥供电电压VCC2，栅源电压差需要不超过10V，否则会有击穿烧毁风险。第一侧下管驱动电路202、第二侧下管驱动电路206设置为提供电平位移level shift以将对应的NMOS开关管(即左下管M3和右下管M4)的栅源电压差位移在10V以内即经过电平位移所输出的接收信号为导通信号时的高电平为10V。这是由于常规的NMOS开关管的源极接地，栅源电压差不超过10V，否则会有击穿烧毁风险。
所述第一侧上管驱动电路201、第二侧上管驱动电路205、第一侧下管驱动电路202和第二侧下管驱动电路206的输入端分别与一H桥驱动信号产生电路204的4个信号输出端连接，该H桥驱动信号产生电路204具有输入端和所述4个信号输出端，其输入端直接连接所述芯片的内部供电电源VDD。由此，结合上文所述，4个开关管与4个驱动电路一一对应，并且4个开关管的栅极分别通过各自对应的驱动电路201、202、205、206与H桥驱动信号产生电路204的4个信号输出端一一对应地连接。H桥驱动信号产生电路204的4个信号输出端分别是与第一侧上管驱动电路201的输入端连接的左上信号输出端(其输出信号为第一侧上驱动电路控制信号Hctr1)、与第二侧上管驱动电路205的输入端连接的右上信号输出端(其输出信号为第二侧上驱动电路控制信号Hctr2)、与第一侧下管驱动电路202的输入端连接的左下信号输出端(其输出信号为第一侧下驱动电路控制信号Lctr1/Lctr1_1)、与第二侧下管驱动电路206的输入端连接的右下信号输出端(其输出信号为第二侧下驱动电路控制信号Lctr2/Lctr2_1)，H桥驱动信号产生电路204通过4个信号输出端输出驱动电路控制信号，用于控制H桥驱动电路200的工作方式。其中，H桥驱动信号产生电路204的信号输出端的驱动电路控制信号Hctr1，Hctr2，Lctr1/Lctr1_1，Lctr2/Lctr2_1都是高电平或低电平的逻辑信号，是由H桥驱动电路200的转速反馈信号和PWM调速控制信号转化而来。
图1示出了传统的H桥换相控制原理。以初始时刻控制电流从第二侧输出端O2流向第一侧输出端O1为例，当H桥驱动电路200换相控制时，H桥驱动信号产生电路204的4个信号输出端生成的信号，以及相应的第一侧上管驱动电路201、第二侧上管驱动电路205、第一侧下管驱动电路202和第二侧下管驱动电路206所产生的信号会相续发生变化。在本实施例中，换相控制时，所述H桥驱动信号产生电路204设置为通过其左上信号输出端和第一侧上管驱动电路201向左上管M1输出截止信号并转为输出导通信号，通过其左下信号输出端和第一侧下管驱动电路202向左下管M3输出导通信号并转为输出截止信号，通过其右上信号输出端和第二侧上管驱动电路205向右上管M2输出导通信号并转为输出截止信号，通过其右下信号输出端和第二侧下管驱动电路206向右下管M4输出截止信号并转为输出导通信号，且每当一开关管截止完成时，与该开关管同一侧的开关管才开始导通(即左下管M3截止完成时，左上管M1导通；且右上管M2截止完成时，右下管M4导通)。
在本实施例中，左上管M1、右上管M2的接收信号A、B为导通信号或者截止信号，导通信号为低电平，即驱动电路输出的VCC2-10V(H桥驱动信号产生电路204的信号输出端此时对应输出高电平逻辑信号)；截止信号为高电平即VCC2(H桥驱动信号产生电路204的信号输出端此时对应输出低电平逻辑信号，使得对应的驱动电路截止，VCC2由H桥供电端提供)，此时导通状态下左上管M1、右上管M2的输出为电平VCC2，由H桥供电端提供，截止状态下左上管M1、右上管M2的输出为浮空态；左下管M3、右下管M4的接收信号C、D为导通信号或者截止信号，导通信号为高电平即驱动电路输出的10V(H桥驱动信号产生电路204的信号输出端此时对应输出高电平逻辑信号)；截止信号为低电平即0V(H桥驱动信号产生电路204的信号输出端此时对应输出低电平逻辑信号，使得对应的驱动电路截止，0V由地提供)，此时导通状态下左下管M3、右下管M4的输出为低电平0，由外部地线提供，截止状态下左下管M3、右下管M4的输出为浮空态。
也就是说，所述H桥驱动信号产生电路设置为通过4个信号输出端输出与4个开关管一一对应的4个驱动电路控制信号，并且设置为：在换相控制前，所述驱动电路控制信号通过对应的驱动电路使得第二侧的上管和第一侧的下管的接收信号为持续的导通信号，且第二侧的下管和第一侧的上管对应的驱动电路的接收信号为持续的截止信号；换相控制后，所述驱动电路控制信号通过对应的驱动电路使得第二侧的上管和第一侧的下管的接收信号为持续的截止信号，第二侧的下管的接收信号为持续的导通信号，且第一侧的上管的接收信号为导通信号。
由此，通过设置H桥驱动信号产生电路204的信号输出端所输出的驱动电路控制信号Hctr1，Hctr2，Lctr1和Lctr2的信号变化，相应地改变了左上管M1、右上管M2、左下管M3和右下管M4的接收信号A、B、C、D并相应改变了这4个开关管的开关状态，从而完成了H桥驱动电路电流从第二侧输出端O2流向第一侧输出端O1(即路径W1)换相为第一侧输出端O1流向第二侧输出端O2的控制。但该换相的初始阶段，由于负载L1上的电感特性，电流方向不能突变，所以该换相过程存在一个续流阶段，第二侧输出端O2会形成低于地的负压，第一侧输出端O1会形成高于H桥供电端的电压，则续流电流通路会变为：由地，到采样电阻R1，到右下管M4，到负载L1，再到左上管M1到H桥供电端，即图1中的路径W2。
下面结合图2-图6具体描述本发明的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统与传统的H桥驱动电路换相控制续流电路的不同之处，并描述该系统的工作原理。
当H桥驱动电路200做换相控制时，以初始时刻，电流方向从第二侧输出端O2流向第一侧输出端O1(即如图1、图2中的路径W1)变化为从第一侧输出端O1流向第二侧输出端O2为例，H桥驱动信号产生电路204的4个信号输出端产生如图3所示的信号变化。
如图3所示，传统的H桥驱动电路换相控制续流电路没有设置钳位保护功能电路，在没有设置钳位保护功能电路的情况下，H桥驱动信号产生电路204的左下信号输出端所输出的第一侧下驱动电路控制信号Lctr1从高电平变为低电平，使得第一侧下管驱动电路202中的PMOS管截止，NMOS管导通，进而使得左下管M3的接收信号C通过其对应的第一侧下管驱动电路202的NMOS管拉到地(为持续的低电平)，因此左下管M3栅极输入变为地从导通变为截止；第一侧上驱动电路控制信号Hctr1从低电平变为输出高电平，使得第一侧上管驱动电路201中的PMOS管截止，NMOS管导通，H桥的供电电压通过第一侧上管驱动电路201的控制把输出信号A位移到VCC2-10V电平(为持续的高电平，电源电压VCC1>12V)，因此左上管M1从截止变为导通，第一输出端O1被拉到H桥供电电压VCC2。
当右上信号输出端所输出的第二侧上驱动电路控制信号Hctr2从高电平变为低电平，右下信号输出端所输出的第二侧下驱动电路控制信号Lctr2从低电平变为高电平时，第二侧上管驱动电路205的PMOS管导通、NMOS管截止，第二侧上管驱动电路205的PMOS管将右上管M2的接收信号B拉到H桥供电电压VCC2，即H桥供电端高电平，则右上管M2截止；第二侧下管驱动电路206的PMOS管导通、NMOS管截止，第二侧下管驱动电路206的PMOS管将右下管M4的接收信号D拉到固定电源电压10V，为高电平，右下管M4导通；第二侧输出端O2被拉到地电位，H桥开启换相后通路，则负载L1的电流方向如图中的第二路径W2，续流电流通路会变为从地，到采样电阻R1，到右下管M4，到负载L1，再到左上管M1到H桥供电端。
再请参见图3，本发明的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统在现有的电路结构的基础上，还具有与左下管M3的栅极相连的第一侧钳位保护功能电路203和与右下管M4的栅极相连的第二侧钳位保护功能电路207。其中，所述H桥驱动电路的两个下管的连接点为采样点，其通过一采样电阻R1接地，该采样点同时与所述第一侧钳位保护功能电路203和第二侧钳位保护功能电路207相连。
所述第一侧钳位保护功能电路203和第二侧钳位保护功能电路207设置为对采样电阻R1上的采样电压进行采样(采样电阻R1上电压即流过采样电阻R1上的电流与R1的阻值乘积，反应了H桥现阶段的驱动电流大小)并转化为电流信号，经过放大处理后分别转化为用于驱动左下管M3弱导通的第一侧驱动控制信号和用于驱动右下管M4弱导通的第二侧驱动控制信号。
第一侧钳位保护功能电路203和第二侧钳位保护功能电路207的结构相同，图4示例性地示出了第一侧钳位保护功能电路203的具体结构。如图4所示，第一侧钳位保护功能电路203具有内部供电电源VDD的供电接口、基准电流IBIAS的接口、与采样点相连的采样接口以及与对应的开关管的栅极相连的输出接口。
在本实施例中，第一侧钳位保护功能电路203包括栅极相连的第一开关管M101和第二开关管M102，栅极彼此相连的第三开关管M103、第四开关管M104、第五开关管M105和第六开关管M106，栅极彼此相连的第七开关管M107和第八开关管M108，第九开关管M109，以及栅极彼此相连的第十开关管M110和第十一开关管M111。
其中，第一开关管M101、第二开关管M102、第九开关管M109、第十开关管M110和第十一开关管M111均为NMOS管；第三开关管M103、第四开关管M104、第五开关管M105、第六开关管M106、第七开关管M107和第八开关管M108均为PMOS管。
第一开关管M101的源极通过第一电阻R101与采样接口相连以接收采样点的采样电压VSC，第一开关管M101的漏极与栅极相连，并且与第四开关管M104的漏极相连；第二开关管M102的源极通过第二电阻R102接地，漏极与第五开关管M105的漏极相连；第三开关管M103、第四开关管M104、第五开关管M105、第六开关管M106、第七开关管M107和第八开关管M108的源极均与供电接口相连，第三开关管M103的漏极连接基准电流IBIAS的接口；第六开关管M106的漏极与第十开关管M110的漏极和栅极相连，第八开关管M108的漏极与输出接口和第十一开关管M111的漏极均相连，且第十开关管M110和第十一开关管M111的源极均接地；第七开关管M107的漏极和栅极与第九开关管M109的漏极相连，第二开关管M102的栅极与第二开关管M102的漏极相连，且源极与第一电阻R101相连。由此，第十开关管M110和第十一开关管M111组成了第一电流镜，第六开关管M106和第三开关管M103组成了第二电流镜，第七开关管M107和第八开关管M108组成了第三电流镜。
如图4所示为例，当第一电流镜(M111与M110)的MOS管个数比为10即第二电流镜(M106与M103)的MOS管个数比为5即/>基准电流IBIAS为2uA，第三电流镜(M108与M107)的MOS管个数比为10即/>第一电阻R101为1kΩ，则从上式可以算出，稳态下钳位保护电路的采样电压VSC的绝对值为10mV，由于采样电阻R1的电流方向为从地流入，则VSC＝-10mV，采样电阻典型值为100mΩ，则流入采样电阻R1的电流大小为VSC/R1＝100mA，即该值表示换相续流路径W2上的电流大小为100mA，其余电流走续流路径W3，所以在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端的过程中的续流阶段，经过负载L1的电流中只有100mA电流通过路径W2流入H桥供电端，极大减小了反灌电流，保护了外部电源和H桥，使得电路工作比以前更加可靠安全。
此外，在其他实施例中，第一电流镜(M111与M110)的MOS管个数比的范围可以在1～100，第二电流镜(M106与M103)的MOS管个数比的范围可以在1～100，基准电流IBIAS的值的取值范围可以在0.1μA～10mA)，第三电流镜(M108与M107)的MOS管个数比的范围可以在1～100，第一电阻R101的取值范围可以在0.01Ω～1MΩ，为了匹配性和功能满足需求，一般第二电阻R102与第一电阻R101的阻值取值相同，第一NMOS管M101和第二NMOS管的个数比相同，形成同等原理的电路结构。
由此，在电流从第二侧输出端O2流向第一侧输出端O1换相为从第一侧输出端O1流向第二侧输出端O2后，采样电阻R1上会产生负电压信号，通过如图4所示的第一侧钳位保护功能电路203采样该电压信号并将其转变为电流信号，并最终转化为对应的左下管M3和右下管M4的驱动控制信号，具体原理是：
本发明的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统设有第一侧钳位保护功能电路203和第二侧钳位保护功能电路207，在设有钳位保护功能电路的情况下，如图5所示，H桥驱动信号产生电路204的信号输出端所输出的第一侧上驱动电路控制信号Hctr1、第二侧上驱动电路控制信号Hctr2、第一侧下驱动电路控制信号Lctr1_1和第二侧下驱动电路控制信号Lctr2_1与上文所述且如图3所示的第一侧上驱动电路控制信号Hctr1、第二侧上驱动电路控制信号Hctr2、第一侧下驱动电路控制信号Lctr1和第二侧下驱动电路控制信号Lctr2完全相同，只是考虑到左下管和右下管还接收了另外的来自第一侧钳位保护功能电路203的第一侧驱动控制信号Lctr1_2和来自第二侧钳位保护功能电路207的第二侧驱动控制信号Lctr2_2，因此第一侧下驱动电路控制信号和第二侧下驱动电路控制信号记为Lctr1_1和Lctr2_1。
在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端的过程中的续流阶段，正如上文关于图3的描述，续流电流会从地全部流过采样电阻R1，所以采样点的采样电压VSC降低变成负压，因此会造成第一开关管M101的源端电压降低。
如图6所示，由于基准电流IBIAS恒定量不变，所以流过第一开关管M101的电流不变，第一开关管M101的栅极电压便会随源端电压降低而降低，由于第二开关管M102的栅极与第一开关管M101的栅极相连，第二开关管M102的源端没有变化，流过第二开关管M102的电流也没有变化，所以第二开关管M102的漏端电压会变高，第二开关管M102的漏端与第二开关管M102的栅极相连，所以第二开关管M102的栅极和源极压差变大，一直到第九开关管M109导通并流出反馈电流，该反馈电流会阻止采样电压VSC的继续降低，最终使得采样电压VSC不变从而形成电路稳态，稳态下，采样电流ISC的大小是由采样电压VSC的绝对值除以第一电阻R101所得的值，该采样电流ISC再经过第三电流镜(电流镜为同尺寸同个数的MOS上电流大小为1:1)的第七开关管M107和第八开关管M108成比例放大，放大倍数即第七开关管M107和第八开关管M108的MOS管个数比第八开关管M108的漏端与第十一开关管M111的漏端相连，第十一开关管M111的下拉电流能力由第二电流镜(M106与M103)以及第一电流镜(M111与M110)逐级成比例放大所得，放大倍数即M106与M103、M111与M110的MOS管个数比的乘积/>第八开关管M108的漏端与第十一开关管M111的漏端相连处设有输出接口，该输出接口设置为输出第一侧驱动控制信号Lctr1_2，在上文所述的续流阶段中，左下管M3原本由第一侧下驱动电路控制信号Lctr1_1截止，当钳位保护功能电路采样到采样电阻R1上的采样电压VSC(为负压)，并通过第一电阻R101转化为采样电流ISC，采样电阻R1上的采样电压VSC的绝对值越大，第一电阻R101阻值不变，采样电流ISC越大，则镜像到第八开关管M108的电流越大，第八开关管M108的上拉漏端电压能力就越强，由于与第八开关管M108相连的十一开关管M111的电流由固定的基准电流IBIAS镜像放大所得，所以下拉漏端电压的能力固定不变的，第八开关管M108的漏端与十一开关管M111的漏端相连，当第八开关管M108上拉电平能力超过十一开关管M111的下拉电平能力时，第一侧驱动控制信号Lctr1_2会从输出低电平变为高电平，左下管M3的栅极信号C将由第一侧下驱动电路控制信号Lctr1_1控制切换为由第一侧驱动控制信号Lctr1_2控制，且第一侧驱动控制信号Lctr1_2输入如图5所示的变化波形，进而驱动左下管M3弱导通，此时续流路径将增加如图2和图6所示的W3路径，即电流从地，到采样电阻R1，再到右下管M4，到负载L1，再到左下管M3，最后流向采样电阻R1，原续流路径W2由于W3路径的分担，续流电流将减小，有效防止了H桥换相续流阶段对供电端的过冲。
综上，第一侧钳位保护功能电路203设置为：在电流从第二侧输出端O2流向第一侧输出端O1换相为从第一侧输出端O1流向第二侧输出端O2的过程中的续流阶段，根据从地流入采样电阻的电流值驱动第一侧的下管弱导通，使得采样电阻上的采样电压(即负压的绝对值)减小，以防止对供电端的过冲。
在没有钳位保护功能时，采样电压VSC会是绝对值较大的负压，续流电流全部流过采样电阻R1。本发明的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统在H桥换相过程中的续流阶段，通过在采样到采样电阻R1上的负电压时开启如图2和图6中的W3电流路径，从而通过H桥的左下管M3和右下管M4的续流减少采样电阻R1从地抽取的电流，使得采样电阻R1上的采样电压的绝对值变小，通过钳位保护电路转化的采样电流ISC变少，通过之前所述的钳位保护控制电路工作原理所述，当其满足如下平衡式时(式中，N代表MOS管的数目，I代表电流，R代表电阻)，续流阶段进入稳态：
其中，NM106、NM103、NM111、NM110、NM108、NM107分别是第六开关管M106、第三开关管M103、十一开关管M111、第十开关管M110、第八开关管M108和第七开关管M107的MOS管的数目；R101为第一电阻R101的阻值，VSC为稳态时的采样电压，ISC为稳态时的采样电流，IBIAS为基准电流，IOFF为与基准电流IBIAS成比例的电流。
续流阶段进入稳态时，电流路径W2上的电流(即从地流入采样电阻R1的电流值)保持不变，其值大小为稳态下的采样电压VSC除以采样电阻R1的值，对应的第一侧驱动控制信号Lctr1_2也保持不变，但是W3路径电流由于负载的消耗逐渐减少，直到从地流入采样电阻R1的电流值小于稳态时采样电压VSC除以采样电阻R1的值后，则W3路径续流结束，第一侧驱动控制信号Lctr1_2变为0V退出该模式，开关管M3恢复截止状态，H桥只保留W2续流路径，此时W2路径电流大小是小于稳态时的W2路径电流值，所以此时不再需要钳位保护功能，该续流阶段直到电流方向从第二侧输出端O2到第一侧输出端O1变为第一侧输出端O1到第二侧输出端O2结束，同时这意味H桥换相控制完成。也就是说，开关管的弱导通是指：在从地流入采样电阻R1的电流值大于等于稳态时的采样电压VSC除以采样电阻R1的值时，开关管从截止状态变为弱导通状态以使得采样电压VSC减小至或保持在稳态时的采样电压VSC，在从地流入采样电阻R1的电流值小于稳态时采样电压VSC除以采样电阻R1的值时，开关管恢复截止状态。
同理，第二侧钳位保护功能电路203则用于在电流从第一侧输出端O1流向第二侧输出端O2的换相为从第二侧输出端O2流向第一侧输出端O1的过程中，其设置为：在电流从第一侧输出端O1流向第二侧输出端O2的换相为从第二侧输出端O2流向第一侧输出端O1的过程中的续流阶段，根据从地流入采样电阻的电流值驱动第二侧的下管(即右下管M4)弱导通，以防止对供电端的过冲。
基于上文的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，所实现的H桥钳位保护功能控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供上文所述的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统；其中，所述H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统包括一芯片外部的H桥驱动电路，所述H桥驱动电路在两侧分别具有第一侧输出端和第二侧输出端，第一侧输出端和第二侧输出端之间设有一具有电感特性的负载，所述H桥驱动电路的4个开关管包括第一侧的上管和下管以及第二侧的上管和下管，4个开关管的栅极分别与一H桥驱动信号产生电路的4个信号输出端一一对应地连接，所述第一侧和第二侧的下管的连接点为采样点，其通过一采样电阻R1接地，该采样点同时与第一侧钳位保护功能电路和第二侧钳位保护功能电路相连，所述第一侧钳位保护功能电路与第一侧的下管的栅极相连，且所述第二侧钳位保护功能电路与第二侧的下管的栅极相连；
步骤S2：所述H桥驱动信号产生电路输出与4个开关管一一对应的4个驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第二侧的上管和第一侧的下管的接收信号为持续的导通信号，从而使得第二侧的上管和第一侧的下管导通，且第二侧的下管和第一侧的上管对应的驱动电路的接收信号为持续的截止信号，从而使得第二侧的下管和第一侧的上管截止；由此，持续一段时间保持在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端的状态。
步骤S3：所述H桥驱动信号产生电路输出与第二侧的上管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第二侧的上管的接收信号切换为截止信号，使得第二侧的上管截止完成；
步骤S4：所述H桥驱动信号产生电路输出与第一侧的下管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第一侧的下管的接收信号切换为截止信号，使得第一侧的下管截止完成(该步骤可与步骤S3同时进行或步骤S3开关管截止完成后再开始步骤S4)；
步骤S5：当第二侧的上管和第一侧的下管都截止完成时(步骤S3和步骤S4都完成)，所述H桥驱动信号产生电路输出与第二侧的下管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第二侧的下管的接收信号切换为导通信号，以使得对应的第二侧的下管开始导通，并导通一段时间；导通一段时间是指换相成功以后不存在立马关断的控制逻辑，而是续流阶段和驱动阶段都处于导通状态，导通时间的具体长短由实际电机换相周期决定；
步骤S6：当第二侧的上管和第一侧的下管都截止完成时，所述H桥驱动信号产生电路输出与第一侧的上管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第一侧的上管的接收信号切换为导通信号，以使得对应的开关管开始导通，并导通一段时间；
步骤S7：当上述步骤完成时，由于负载电感特性，存在换相控制负载续流阶段，因此，需要在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端的过程中的续流阶段，利用第一侧钳位保护功能电路根据从地流入采样电阻的电流值驱动第一侧的下管弱导通，具体包括：利用第一侧钳位保护功能电路实时地对采样电阻上的采样电压进行采样，在从地流入采样电阻的电流值大于等于稳态时的采样电压除以采样电阻的值时，驱动第一侧的下管从截止状态变为弱导通状态以使得采样电压减小至或保持在稳态时的采样电压，并维持稳态一段时间，直到从地流入采样电阻的电流值减小为稳态时采样电压除以采样电阻的值以下为止；此时，第一侧的下管恢复为截止状态。
其中，弱导通状态指开启MOS管(即开关管)的栅源压差只比导通电压高一点的状态，此时MOS管工作状态处于传统意义上的线性区。
在所述步骤S7中，所述第一侧钳位保护功能电路在对采样电阻上的采样电压进行采样之后，将其转化为电流信号，经过放大处理后分别转化为用于驱动第一侧的下管弱导通的第一侧驱动控制信号。
步骤S8：当从第一侧输出端流向第二侧输出端控制变为从第二侧输出端流向第一侧输出端，则将第一侧和第二侧的换相控制对调并重复上述步骤S3-步骤S7；这也可以理解为，将第一侧作为新的第二侧，将第二侧作为新的第一侧，重复上述步骤S2-步骤S7。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规内容。

Claims (8)

1.一种H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，其包括一芯片外部的H桥驱动电路，所述H桥驱动电路在两侧分别具有第一侧输出端和第二侧输出端，第一侧输出端和第二侧输出端之间设有一具有电感特性的负载，所述H桥驱动电路具有4个开关管，分别是第一侧的上管和下管以及第二侧的上管和下管，4个开关管的栅极分别与一H桥驱动信号产生电路的4个信号输出端一一对应地连接，其特征在于，所述第一侧和第二侧的下管的连接点为采样点，其通过一采样电阻接地，该采样点同时与第一侧钳位保护功能电路和第二侧钳位保护功能电路相连，所述第一侧钳位保护功能电路与第一侧的下管的栅极相连，且所述第二侧钳位保护功能电路与第二侧的下管的栅极相连；
所述第一侧钳位保护功能电路设置为：在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端的过程中的续流阶段，根据从地流入采样电阻的电流值驱动第一侧的下管弱导通；所述第二侧钳位保护功能电路设置为：在电流从第一侧输出端流向第二侧输出端换相为从第二侧输出端流向第一侧输出端的过程中的续流阶段，根据从地流入采样电阻的电流值驱动第二侧的下管弱导通；
在续流阶段，根据从地流入采样电阻的电流值驱动开关管弱导通是指：在从地流入采样电阻的电流值大于等于稳态时的采样电压除以采样电阻的值时，开关管从截止状态变为弱导通状态以使得采样电压减小至或保持在稳态时的采样电压，在从地流入采样电阻的电流值小于稳态时采样电压除以采样电阻的值时，开关管恢复截止状态。
2.根据权利要求1所述的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，其特征在于，所述第一侧钳位保护功能电路和第二侧钳位保护功能电路设置为对采样电阻上的采样电压进行采样并转化为电流信号，经过放大处理后分别转化为用于驱动第一侧的下管弱导通的第一侧驱动控制信号和用于驱动第二侧的下管弱导通的第二侧驱动控制信号。
3.根据权利要求1所述的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，其特征在于，所述H桥驱动信号产生电路设置为：通过4个信号输出端输出与4个开关管一一对应的4个驱动电路控制信号；在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端之前，所述驱动电路控制信号使得第二侧的上管和第一侧的下管的接收信号为持续的导通信号，且第二侧的下管和第一侧的上管对应的驱动电路的接收信号为持续的截止信号；在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端之后，所述驱动电路控制信号使得第二侧的上管和第一侧的下管的接收信号为持续的截止信号，第二侧的下管的接收信号和第一侧的上管的接收信号为持续的导通信号。
4.根据权利要求1所述的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，其特征在于，所述H桥驱动电路的上管都是PMOS管，下管都是NMOS管；第一侧和第二侧的上管的源极均与一芯片的电源电压经过一反偏二极管连接，反偏二极管的远离电源电压的一端为H桥供电端。
5.根据权利要求4所述的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，其特征在于，4个开关管与4个驱动电路一一对应，并且4个开关管的栅极分别通过各自对应的驱动电路与H桥驱动信号产生电路的4个信号输出端对应连接；
每个驱动电路的输出部分均包括依次连接的PMOS管和NMOS管，PMOS和NMOS管之间设有一驱动电路输出端，每个驱动电路分别通过其驱动电路输出端与对应的开关管的栅极连接；所述驱动电路的PMOS管的源极为供电端，其漏极与NMOS管的漏极连接，驱动电路的NMOS管的源极接地，所述驱动电路的PMOS管的栅极与驱动电路的NMOS管的栅极分别连接各自的栅极控制信号，所述栅极控制信号通过驱动电路的输入端的同一驱动电路控制信号转化后得到。
6.根据权利要求5所述的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统，其特征在于，所述驱动电路的供电端均与所述H桥供电端相连，以接收H桥供电电压VCC2，所述驱动电路均设置为将各个开关管的接收信号为导通信号时的电平转化为与H桥供电电压或地具有一固定压差。
7.一种H桥驱动电路的钳位保护功能控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供权利要求1-6之一所述的H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统；
步骤S2：所述H桥驱动电路的钳位保护功能控制系统的H桥驱动信号产生电路输出与4个开关管一一对应的4个驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第二侧的上管和第一侧的下管的接收信号为持续的导通信号，从而使得第二侧的上管和第一侧的下管导通，且第二侧的下管和第一侧的上管对应的驱动电路的接收信号为持续的截止信号，从而使得第二侧的下管和第一侧的上管截止；
步骤S3：所述H桥驱动信号产生电路输出与第二侧的上管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第二侧的上管的接收信号切换为截止信号，使得第二侧的上管截止完成；
步骤S4：所述H桥驱动信号产生电路输出与第一侧的下管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第一侧的下管的接收信号切换为截止信号，使得第一侧的下管截止完成；
步骤S5：当第二侧的上管和第一侧的下管都截止完成时，所述H桥驱动信号产生电路输出与第二侧的下管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第二侧的下管的接收信号切换为导通信号，以使得对应的第二侧的下管开始导通，并导通一段时间；
步骤S6：当第二侧的上管和第一侧的下管都截止完成时，所述H桥驱动信号产生电路输出与第一侧的上管对应的驱动电路控制信号，所述驱动电路控制信号使得第一侧的上管的接收信号切换为导通信号，以使得对应的开关管开始导通，并导通一段时间；
步骤S7：在电流从第二侧输出端流向第一侧输出端换相为从第一侧输出端流向第二侧输出端的过程中的续流阶段，利用第一侧钳位保护功能电路根据从地流入采样电阻的电流值驱动第一侧的下管弱导通；
所述步骤S7包括：利用所述第一侧钳位保护功能电路实时地对采样电阻上的采样电压进行采样，在从地流入采样电阻的电流值大于等于稳态时的采样电压除以采样电阻的值时，驱动第一侧的下管从截止状态变为弱导通状态以使得采样电压减小至或保持在稳态时的采样电压，并维持稳态一段时间，直到从地流入采样电阻的电流值减小为稳态时采样电压除以采样电阻的值以下为止；此时，第一侧的下管恢复为截止状态；
步骤S8：将第一侧作为新的第二侧，将第二侧作为新的第一侧，重复上述步骤S2-步骤S7。
8.根据权利要求7所述的H桥驱动电路的钳位保护功能控制方法，其特征在于，在所述步骤S7中，在利用第一侧钳位保护功能电路在对采样电阻上的采样电压进行采样之后，将其转化为电流信号，经过放大处理后转化为用于驱动第一侧的下管弱导通的第一侧驱动控制信号。
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