JP2021044704A - モータドライバ回路およびハードディスク装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】クランプ専用のトランジスタを用いずに、電源電圧の上昇を抑制可能なモータドライバ回路を提供する。【解決手段】プッシュプル形式の第1出力段102Aは、駆動対象のモータ912のコイルの一端および電源端子PWRと接続される。第2出力段102Bは、コイルの他端と電源端子PWRと接続される。駆動部110は、第1出力段102Aおよび第2出力段102Bを制御する。駆動部110は、電源端子PWRの電源電圧VPWRが第1しきい値VTH1を超えるとクランプ状態に遷移し、クランプ状態において、第1出力段102Aと第2出力段102Bを構成するトランジスタを利用して電源端子PWRから電流ICLを引き抜く。【選択図】図2

Description

本発明は、モータのドライバ回路に関する。
ハードディスク装置は、プラッタ、プラッタを回転させるスピンドルモータ、ヘッド、ヘッドを位置決めするシークモータを備える。
図1は、ハードディスク装置900に用いられるモータドライバ回路920のブロック図である。モータドライバ回路920は、スピンドルモータ910およびシークモータ912を駆動する。モータドライバ回路920は、スピンドルモータ910を駆動するスピンドルモータ駆動部922と、シークモータ912を駆動するシークモータ駆動部924と、を備える。スピンドルモータ910は三相DCモータであり、シークモータ912はボイスコイルモータである。
モータドライバ回路920の電源端子PWRには、通常、所定電圧(たとえば12V)にレギュレートされた電源電圧VPWRが供給されており、スピンドルモータ駆動部922やシークモータ駆動部924は、この電源電圧VPWRを利用して、スピンドルモータ910やシークモータ912を駆動する。
ハードディスク装置900は、電源が喪失したときに、ヘッドを安全に待避させる機能を備える。具体的には、電源が喪失すると、スピンドルモータ910に流れる回生電流が、電源端子PWRに接続されるキャパシタ930に回収され、電源電圧VPWRが維持される。シークモータ駆動部924は、この電源電圧VPWRを電源として動作を維持することができ、シークモータ912を駆動して、ヘッドを安全に待避させる。
スピンドルモータ910の回生電流が大きすぎると、電源電圧VPWRが大きく跳ね上がり、過電圧が発生する。この過電圧を抑制するために、従来では、電源端子PWRと接地の間に、クランプ専用のトランジスタ932が設けられる。コンパレータ926は、電源電圧VPWRをしきい値VTHと比較し、VPWR>VTHとなると、トランジスタ932をオンとし、電源電圧VPWRを、しきい値VTHを超えないようにクランプする。
図1の構成では、クランプ専用のトランジスタ932を設ける必要があり、コストの増加や回路面積の増加の要因となっていた。
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、クランプ専用のトランジスタを用いずに、電源電圧の上昇を抑制可能なモータドライバ回路の提供にある。
本発明のある態様はモータドライバ回路に関する。モータドライバ回路は、駆動対象のモータのコイルの一端および電源端子と接続されるプッシュプル形式の第1出力段と、コイルの他端および電源端子と接続されるプッシュプル形式の第2出力段と、第1出力段および第2出力段を制御する駆動部と、を備える。駆動部は、電源端子の電源電圧が第1しきい値を超えるとクランプ状態に遷移し、クランプ状態において、第1出力段と第2出力段を構成するトランジスタを利用して、電源端子から電流を引き抜く。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明のある態様によれば、クランプ専用のトランジスタを用いずに、電源電圧の上昇を抑制できる。
ハードディスク装置に用いられるモータドライバ回路のブロック図である。 実施の形態に係るモータドライバ回路を備えるハードディスク装置の回路図である。 図3(a)、(b)は、図2のモータドライバ回路によるクランプ動作を示す図である。 図4(a)は、クランプ保護に関連する駆動部の部分の回路図であり、図4(b)は、クランプ状態における駆動部の等価回路図である。 駆動部の構成例を示す回路図である。 図5の駆動部の第1モードの正常状態の入出力特性を示す図である。 図5の駆動部の第1モードのクランプ状態における入出力特性を示す図である。 第1アンプ、第2アンプの構成例を示す回路図である。 正常状態、クランプレディ状態、クランプ状態を遷移するときの電流制御を説明する図である。 モータドライバ回路を備えるハードディスク装置を示す図である。
(実施の形態の概要)
本明細書に開示される一実施の形態は、モータドライバ回路に関する。このモータドライバ回路は、駆動対象のモータのコイルの一端および電源端子と接続されるプッシュプル形式の第1出力段と、コイルの他端および電源端子と接続されるプッシュプル形式の第2出力段と、第1出力段および第2出力段を制御する駆動部と、を備える。駆動部は、電源端子の電源電圧が第1しきい値を超えるとクランプ状態に遷移し、クランプ状態において、第1出力段と第2出力段を構成するトランジスタを利用して、電源端子から電流を引き抜く。
この実施の形態によると、電源電圧に流れ込む電流よりも大きい電流を、第1出力段と第2出力段のトランジスタを利用して、電源端子から引き込むことにより、電源電圧の上昇を抑制できる。
駆動部は、クランプ状態において、第1出力段と第2出力段のうちソース側の出力段のハイサイドトランジスタを定電流源として動作させてもよい。これにより、電源電圧の上昇を抑制できる。
駆動部は、クランプ状態において、ソース側の出力段のハイサイドトランジスタに、ハイサイドトランジスタとともにカレントミラー回路を構成するレプリカトランジスタを接続し、当該レプリカトランジスタに定電流を供給するように構成されてもよい。これにより、クランプ状態において、ハイサイドトランジスタには、レプリカトランジスタに流れる定電流に比例した電流が流れ、定電流動作させることができる。
駆動部は、第1出力段および前記第2出力段を差動動作させて、モータの両端間に指令値に応じた駆動電圧を印加する第1モードで動作可能であってもよい。駆動部は、第1モードにおけるクランプ状態において、モータの両端間に指令値に応じた駆動電圧を印加し続けてもよい。これによりクランプ中も、モータを指令値に応じて制御し続けることができる。
駆動部は、指令値である制御電圧と、第1バイアス電圧にもとづいて第1出力段を制御する第1駆動部と、制御電圧と、第2バイアス電圧にもとづいて第2出力段を制御する第2駆動部と、を含んでもよい。駆動部は、第1モードの正常状態において、モータの電流の極性にかかわらず、第1バイアス電圧を所定の基準電圧にセットし、第2バイアス電圧を、第1出力段の出力電圧にセットしてもよい。
駆動部は、第1モードのクランプ状態において、第1駆動部と第2駆動部のソース側の一方のバイアス電圧を基準電圧にセットし、第1駆動部と第2駆動部のシンク側の他方のバイアス電圧を、ソース側の出力段の出力電圧にセットしてもよい。クランプ状態において一方のハイサイドトランジスタを定電流動作させると、正常状態と比べて回路の動作点(すなわち出力電圧)がシフトする。そこで、定電流源となるソース側を基準として、シンク側の駆動部を動作させることにより、モータのコイルの両端間に、指令値に応じた駆動電圧を印加し続けることができる。
基準電圧は電源電圧の1/2であってもよい。
駆動部は、第1モードにおいて、電源電圧が前記第1しきい値より低い第2しきい値を超えると、クランプ状態に遷移するのに先立ってクランプレディ状態に遷移してもよい。駆動部は、第1モードのクランプレディ状態において、ソース側の出力段のハイサイドトランジスタを定電流源として動作させずに、第1駆動部と第2駆動部のバイアス電圧を、クランプ状態と同じ状態にセットして待機してもよい。クランプ状態に加えて、クランプレディ状態を設けることで、クランプ状態へのシームレスな移行が可能となる。
駆動部は、第1出力段の出力と第2出力段の出力をハイインピーダンス状態とする第2モードで動作可能であってもよい。駆動部は、第2モードにおけるクランプ状態において、第1出力段と第2出力段のうちシンク側の出力段のハイインピーダンス状態を維持してもよい。これにより、クランプ状態におけるモータのコイルの状態を正常状態と等価とすることができる。
駆動部は、第2モードのクランプ状態において、ソース側の出力段の出力電圧を所定の電圧に固定してもよい。これにより、モータに予期しない電圧が印加されるのを防止できる。所定の電圧は、電源電圧の1/2としてもよい。
駆動部は、第1出力段および第2出力段を差動動作させて、モータの両端間に指令値に応じた駆動電圧を印加する第1モードで動作可能であってもよい。駆動部は、指令値である制御電圧と第1バイアス電圧にもとづいて第1出力段を制御する第1駆動部と、制御電圧と第2バイアス電圧にもとづいて第2出力段を制御する第2駆動部と、を含んでよい。駆動部は、第1モードの正常状態において、モータの電流の極性にかかわらず、第1バイアス電圧を所定の基準電圧にセットし、第2バイアス電圧を第1出力段の出力電圧にセットしてもよい。駆動部は、第2モードのクランプ状態において、第1駆動部と第2駆動部のソース側の一方のバイアス電圧を基準電圧にセットしてもよい。
ここで、第1出力段がシンク側であるときにクランプ状態に移行し、第1出力段の出力をハイインピーダンスとすると、第1出力段の出力電圧は不定となる。このときに、正常状態と同じように第2出力段を、第1出力段を基準として動作させると、第2出力段の動作状態が不安定になる。そこで駆動部は、第2モードのクランプ状態においては、ソース側の出力段の出力電圧を所定の基準電圧を基準として生成するとよい。これにより、第1出力段がシンク側である場合でも、ソース側の第2出力段を安定動作させることができる。
駆動部は、第2モードにおいて、電源電圧が第1しきい値より低い第2しきい値を超えると、クランプ状態に遷移するのに先立ってクランプレディ状態に遷移してもよい。駆動部は、第2モードのクランプレディ状態において、ソース側の出力段のハイサイドトランジスタを定電流源として動作させずに、ソース側の出力段の出力電圧を所定の基準電圧を基準として生成し、シンク側の出力段のハイインピーダンス状態を維持してもよい。クランプ状態において、ソース側のハイサイドトランジスタを定電流として動作させると、2つの出力段の差動出力のコモン電圧が、正常状態の電圧レベルからシフトする。そこでクランプ状態に加えて、クランプレディ状態を設けることで、クランプ状態へのシームレスな移行が可能となる。
駆動部は、第1出力段の出力と第2出力段の出力をローに固定する第3モードで動作可能であってもよい。駆動部は、第3モードにおいて電源電圧が第2しきい値を超えると、第1モードのクランプレディ状態に遷移してもよい。
駆動部は、第1出力段の出力と第2出力段の出力をPWM制御する第4モードで動作可能であってもよい。駆動部は、第4モードにおいて電源電圧が第2しきい値を超えると、第1モードのクランプレディ状態に遷移してもよい。
駆動部は、電源電圧が第1しきい値を超えると、定電流源となるハイサイドトランジスタに流れる電流を緩やかに増大させてもよい。また駆動部は、電源電圧が第1しきい値を下回ると、定電流源となるハイサイドトランジスタに流れる電流を緩やかに減少させてもよい。ハイサイドトランジスタに流れる電流の変化速度が、駆動部の応答速度を上回ると動作が不安定になるところ、電流の変化速度を緩やかにすることで、動作を安定化できる。
駆動部は、電源電圧が第1しきい値を下回ると、定電流源となるハイサイドトランジスタに流れる電流を非ゼロの電流量まで低下させて固定し、所定時間経過後に固定を解除してもよい。ハイサイドトランジスタの電流源動作を瞬時に解除すると、駆動部の応答速度が追いつかずに、動作が不安定になるおそれがある。そこで所定時間の間に、電流量を非ゼロの電流量に固定することで、この所定時間の間に、駆動部の動作点を徐々に変化させることができ、動作を安定化できる。
モータドライバ回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を1つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
実施の形態に係るモータドライバ回路は、ハードディスク装置用のボイスコイルモータの駆動部に適用できる。これにより、スピンドルモータの回生電流による電源電圧の上昇を、ボイスコイルモータの駆動部によって抑制できる。
(実施の形態)
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Aが、部材Bに接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
また本明細書に示される波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化されている。
図2は、実施の形態に係るモータドライバ回路100を備えるハードディスク装置900の回路図である。ハードディスク装置900は、スピンドルモータ910、シークモータ912、電源回路914、モータドライバ回路920を備える。電源回路914は、モータドライバ回路920の電源端子PWRに、所定電圧(例えば12V)に安定化された電源電圧VPWRを供給する。電源回路914は、モータドライバ回路920に内蔵されてもよい。
モータドライバ回路920は、スピンドルモータ駆動部922およびシークモータ駆動部924を備え、一つの半導体基板に集積化されている。スピンドルモータ駆動部922は、スピンドルモータ910を駆動する。また電源回路914による電力供給が遮断すると、スピンドルモータ駆動部922は、スピンドルモータ910の回転エネルギーにもとづく電流IREGENを、電源端子PWRを介して、平滑キャパシタ930に供給し、平滑キャパシタ930に回生エネルギーを回収する。スピンドルモータ駆動部922の構成は特に限定されず、公知技術を用いればよい。
シークモータ駆動部924は、実施の形態に係るモータドライバ回路100を含み、シークモータ912を駆動可能に構成される。シークモータ912はたとえばVCM(ボイスコイルモータである)。
スピンドルモータ駆動部922から平滑キャパシタ930に、過剰な電流IREGENが供給されると、電源電圧VPWRが跳ね上がり、回路の信頼性を損なうおそれがある。実施の形態に係るモータドライバ回路100は、電源電圧VPWRをクランプする機能を備える。
モータドライバ回路100は、第1出力段102A、第2出力段102B、駆動部110、電圧判定部120、電流極性判定部130を備える。プッシュプル形式の第1出力段102Aは、ハイサイドトランジスタMH1およびローサイドトランジスタML1を含み、第1出力段102Aの出力端子は、第1出力端子OUTAを介して駆動対象のモータ912のコイルL1の一端と接続されている。プッシュプル形式の第2出力段102Bは、ハイサイドトランジスタMH2およびローサイドトランジスタML2を含み、その出力端子は、第2出力端子OUTBを介してコイルL1の他端と接続される。第1出力段102Aおよび第2出力段102Bは電源端子PWRと接続されている。
駆動部110は、第1出力段102Aおよび第2出力段102Bを制御することにより、スピンドルモータ910のコイルL1の両端間に印加される駆動電圧VDRV(あるいはコイルL1に流れるコイル電流IVCM)を制御する。
電圧判定部120は、電源端子PWRの電源電圧VPWRを第1しきい値VTH1(たとえば15V)と比較し、比較結果を示すクランプ制御信号CLAMPを生成する。たとえば電圧判定部120は、電圧比較のための第1コンパレータ122を含み、第1コンパレータ122の出力であるクランプ制御信号CLAMPは、VPWR>VTH1となるとアサート(たとえばハイレベル)される。
電流極性判定部130は、シークモータ912に流れるコイル電流IVCMの向き(極性)を判定し、極性を示す信号(極性信号)POLを駆動部110に供給する。たとえば極性信号POLは、コイル電流IVCMがOUTAからOUTBに向かって流れるときハイ、OUTBからOUTAに向かって流れるときローである。
駆動部110は、第1駆動部112A、第2駆動部112B、メインコントローラ116、クランプコントローラ118を備える。第1駆動部112Aおよび第2駆動部112Bはそれぞれ、第1出力段102Aおよび第2出力段102Bの出力端子OUTA,OUTBの状態を制御可能に構成される。
メインコントローラ116は、主として、正常状態において、所望の駆動電圧VDRVやコイル電流IVCMが得られるように、第1駆動部112Aおよび第2駆動部112Bを制御する。
駆動部110は、クランプ制御信号CLAMPのアサートに応答して、すなわち電源端子PWRの電源電圧VPWRが第1しきい値VTH1を超えるとクランプ状態に遷移する。駆動部110は、クランプ状態において、第1出力段102Aと第2出力段102Bを構成するトランジスタMH1,MH2,ML1,ML2を利用して、電源端子PWRから電流ICLを引き抜く。
より詳しくは駆動部110は、クランプ状態において、第1出力段102Aと第2出力段102Bのうちソース側の出力段のハイサイドトランジスタを定電流源として動作させる。すなわち、コイル電流IVCMがOUTAからOUTBに向かって流れるときは、第1出力段102Aがソース側、第2出力段102Bがシンク側であるから、クランプ状態において、ハイサイドトランジスタMH1が定電流源として動作する。
反対に、コイル電流IVCMがOUTBからOUTAに向かって流れるときにクランプ状態となると、第2出力段102Bがソース側、第1出力段102Aがシンク側であるから、ハイサイドトランジスタMH2が定電流源として動作する。
クランプコントローラ118は、クランプ制御信号CLAMPおよび極性信号POLにもとづいて、第1駆動部112Aおよび第2駆動部112Bおよび第1出力段102A、第2出力段102Bの状態を制御する。
続いてモータドライバ回路100によるクランプ動作を説明する。図3(a)、(b)は、図2のモータドライバ回路100によるクランプ動作を示す図である。図3(a)は、第1出力段102Aがソース側であるときのクランプ状態であり、ハイサイドトランジスタMH1が定電流源として動作し、電源端子PWRから電流ICLを引き抜く。この電流ICLは、数A程度(たとえば3A)である。シークモータ912には、電流IVCMが流れており、したがってローサイドトランジスタML1には、余剰な電流ICL−IVCMが流れることとなる。
図3(b)は、第2出力段102Bがソース側であるときのクランプ状態であり、ハイサイドトランジスタMH2が定電流源として動作し、電源端子から電流ICLを引き抜く。ローサイドトランジスタML2には、余剰な電流ICL−IVCMが流れることとなる。
以上がモータドライバ回路100によるクランプ動作である。このモータドライバ回路100によれば、第1出力段102A、第2出力段102Bを利用して、電源端子PWRから電流ICLを引き込むことで、平滑キャパシタ930の電荷を強制的に放電でき、電源電圧VPWRを低下させることができる。したがって、図1に示すような追加のクランプ専用のトランジスタ932が不要となり、回路面積を削減できる。
もし、ソース側でなく、シンク側の出力段のハイサイドトランジスタを定電流動作させたとする。そうすると、シンク側のローサイドトランジスタに、ICL+IVCMの電流が流れることとなり、ローサイドトランジスタの発熱が大きくなる。またローサイドトランジスタの電流容量(すなわちトランジスタのサイズ)を大きくする必要がある。これに対して、本実施の形態では、ソース側のハイサイドトランジスタを定電流動作させるため、ローサイドトランジスタの電流をICL−IVCMに抑えることができるため有利である。
図4(a)は、クランプ保護に関連する駆動部110の部分(クランプコントローラ118)の回路図である。クランプコントローラ118は、レプリカトランジスタMr1、Mr2、抵抗R1,R2、スイッチSW1〜SW4、電流源CS1を含む。
第1出力段102A側に着目すると、レプリカトランジスタMr1は、ゲートドレイン間が結線されており、そのソースが、トランジスタMH1のソースと接続される。また抵抗R1は、ハイサイドトランジスタMH1のゲートとレプリカトランジスタMr1のドレインと接続され、スイッチSW1は、抵抗R1と並列に接続される。レプリカトランジスタMr1には、スイッチSW3を介して、電流源CS1の電流Iが供給可能となっている。抵抗R1は、スイッチSW1がオフであるときにレプリカトランジスタMr1が、第1出力段102Aの動作に影響を及ぼさない程度に大きい抵抗値を有する。第2出力段102B側も同様に構成される。
図4(b)は、クランプ状態における駆動部110の等価回路図である。第1出力段102Aがソース側、第2出力段102Bがシンク側であるとき、スイッチSW1、SW3がオン、SW2,SW4がオフとなる。このとき、レプリカトランジスタMr1とハイサイドトランジスタMH1は、レプリカトランジスタMr1を入力側とするカレントミラー回路CM1を形成する。ハイサイドトランジスタMH1は、電流源CS1が生成する電流Iに比例したクランプ電流ICLを生成する定電流源として動作する。
第2出力段102Bがソース側、第1出力段102Aがシンク側であるとき、スイッチSW2、SW4がオン、SW1,SW3がオフとなる。このとき、レプリカトランジスタMr2とハイサイドトランジスタMH2がカレントミラー回路を形成し、ハイサイドトランジスタMH2は、電流源CS1が生成する電流Iに比例したクランプ電流ICLを生成する定電流源として動作する。
続いて、駆動部110の具体的な動作や構成を説明する。
(第1モード)
駆動部110は、第1出力段102Aおよび第2出力段102Bを差動動作させて、シークモータ912の両端間に指令値に応じた駆動電圧VDRVを印加する第1モード(リニア電圧駆動モード)で動作可能である。駆動部110は、第1モードにおけるクランプ状態において、シークモータ912の両端間に指令値に応じた駆動電圧VDRVを印加し続ける。
図5は、駆動部110の構成例を示す回路図である。第1駆動部112Aは、第1アンプ114Aを含み、第2駆動部112Bは、第2アンプ114Bを含む。
第1アンプ114Aは、駆動電圧VDRVを指示する指令値である制御電圧VCNTと、動作点を指定するバイアス電圧VBAと、出力電圧VOUTAに応じたフィードバック電圧VFB1を受ける。第1アンプ114Aは、フィードバック電圧VFB1(出力電圧VOUTA)が、バイアス電圧VBAと制御電圧VCNTに応じて定まる目標電圧と一致するように、ハイサイドトランジスタMH1およびローサイドトランジスタML1のゲート電圧を制御する。
第2アンプ114Bは、駆動電圧VDRVを指示する制御電圧VCNTと、基準となる電圧を指定するバイアス電圧VBBと、出力電圧VOUTBに応じたフィードバック電圧VFB2を受ける。第2アンプ114Bは、フィードバック電圧VFB2(出力電圧VOUTB)が、バイアス電圧VBBと制御電圧VCNTに応じて定まる目標電圧と一致するように、ハイサイドトランジスタMH2およびローサイドトランジスタML2のゲート電圧を制御する。
本実施の形態において、第1アンプ114Aおよび第1出力段102Aは、制御電圧VCNTを入力、第1出力電圧VOUTAを出力としてみたときに、反転リニアアンプとして動作する。一方、第2アンプ114Bおよび第2出力段102Bは、制御電圧VCNTを入力、第2出力電圧VOUTBを出力としてみたときに、非反転リニアアンプとして動作する。
また本実施の形態において、第1アンプ114Aの第1バイアス電圧VBAは、所定の基準電圧Vxと、第2出力電圧VOUTBの2つを切り替え可能となっている。また第2アンプ114Bの第2バイアス電圧VBBは、所定の基準電圧Vxと、第1出力電圧VOUTAの2つを切り替え可能となっている。この基準電圧Vxは、電源電圧VPWRの1/2としてもよい。スイッチSW21〜SW24は、バイアス電圧VBA,VBBを切り替えるために設けられる。バイアス電圧VBA,VBBは、コイル電流IVCMの極性に応じて制御される。
(第1モードの正常状態)
第1モードの正常状態では、スイッチSW21,SW23がオンとなり、第1アンプ114Aの第1バイアス電圧VBAは、基準電圧Vxに固定され、第2アンプ114Bの第2バイアス電圧VBBは、第1出力電圧VOUTAに固定されている。
図6は、図5の駆動部110の第1モードの正常状態の入出力特性を示す図である。横軸は制御電圧VCNTを、縦軸は出力電圧VOUTA,VOUTBを示す。正常状態では、2つの出力電圧VOUTA,VOUTBの平均値であるコモンモード電圧VCMは、おおよそ電源電圧VPWR(=12V)の1/2となっており、2つの電圧VOUTA,VOUTBの差分である駆動電圧VDRVは、制御電圧VCNTに対して線形に変化する。
(第1モードのクランプ状態)
第1モードのクランプ状態では、第1アンプ114Aと第2アンプ114Bのバイアス電圧VBA,VBBが、コイル電流IVCMの極性に応じて制御される。具体的には、第1出力段102Aがソース側である場合、SW21,SW23がオンとなり、第1バイアス電圧VBAが基準電圧Vxとなり、第2バイアス電圧VBBが第1出力電圧VOUTAとなる。第2出力段102Bがソース側である場合、SW22,SW24がオンとなり、第1バイアス電圧VBAが第2出力電圧VOUTBとなり、第2バイアス電圧VBBが基準電圧Vxとなる。
図7は、図5の駆動部110の第1モードのクランプ状態における入出力特性を示す図である。この例では、第2出力段102Bがソース側であり、ハイサイドトランジスタMH2が定電流動作するとする。ハイサイドトランジスタMH2に正常状態よりも大きな電流ICLが流れると、第2出力段102Bおよび第2アンプ114Bの動作点が正常状態から高電位側にシフトし、VOUTB(CL)で示すような特性が得られる。
比較のために、クランプ状態においても正常状態と同じように、コイル電流IVCMの極性にかかわらず、バイアス電圧を固定したとする。この場合、クランプ用の大きな電流ICLが流れるソース側の出力電圧VOUTB(CL)は高電位側にシフトする一方で、シンク側では電圧シフトは発生しない。つまりモータには、駆動電圧VDRV(CL)’=VOUTA−VOUTB(CL)が印加されることになり、正常状態と異なる入出力特性が得られる。
これに対して、図5の駆動部110において、シンク側の第1アンプ114Aのバイアス電圧VBAは、シフトした出力電圧VOUTB(CL)にセットされる。これにより、2つの出力電圧VOUTA(CL)とVOUTB(CL)の電位差、すなわち駆動電圧VDRV(CL)は、制御電圧VCNTに対して図6の正常状態の駆動電圧VDRVと同じように変化する。このように本実施の形態によれば正常状態とクランプ状態とで同じように、シークモータ912を制御できる。
(第1モードのクランプレディ状態)
図2に戻る。正常状態からクランプ状態に円滑に遷移させるために、クランプレディ状態を設けるとよい。
電圧判定部120は、電源電圧VPWRを第1しきい値VTH1より低い第2しきい値VTH2(たとえば13V)と比較する第2コンパレータ124を含む。第2コンパレータ124は、VTH2<VPWR<VTH1となると、クランプレディ信号CLAMP_READYをアサート(ハイ)する。
駆動部110は、クランプレディ信号CLAMP_READYのアサートに応答して、クランプレディ状態に遷移する。
駆動部110は、第1モードのクランプレディ状態において、ソース側の出力段のハイサイドトランジスタを定電流源として動作させずに、図5の第1アンプ114Aおよび第2アンプ114Bのバイアス電圧VBA,VBBを、クランプ状態のそれと同じにして待機する。
これにより、さらに電源電圧VPWRが上昇してクランプ状態となった場合に、速やかにソース側のハイサイドトランジスタを定電流動作させることが可能となり、クランプ状態への遷移を円滑化できるようになる。
図8は、第1アンプ114A、第2アンプ114Bの構成例を示す回路図である。第1駆動部112Aは、差動アンプ116A、抵抗R31〜R34を含む。第2駆動部112Bは、差動アンプ116B、抵抗R41〜R44を含む。
抵抗R33,R43の抵抗値をRとすると、抵抗R34とR44の抵抗値は、2つの抵抗値(たとえばゲインが12倍の場合、12Rと24R)で相補的に切り替えられる。正常状態であるとき、あるいはクランプ状態、クランプレディ状態で第1出力段102Aがソース側のとき、R34=12R、R44=24Rである。クランプ状態、クランプレディ状態で第2出力段102Bがソース側のとき、R34=24R、R44=12Rである。
この第1アンプ114A、第2アンプ114Bによれば、制御電圧VCNTに応じた差動の出力電圧VOUTA,VOUTBを生成できる。
(第2モード)
(第2モードの正常状態)
駆動部110は、第1モード(リニア電圧駆動モード)に加えて、第2モード(ハイインピーダンスモードという)で動作可能である。駆動部110は、第2モードにおいて、第1出力段102Aの出力と第2出力段102Bの出力をハイインピーダンス状態とする。
(第2モードのクランプ状態)
駆動部110は、第2モードにおけるクランプ状態において、第1出力段102Aと第2出力段102Bのうちシンク側の出力段のハイインピーダンス状態を維持する。また駆動部110は第2モードのクランプ状態において、ソース側の出力段の出力電圧を所定の電圧Vに固定する。たとえば電圧Vは、電源電圧VPWRの1/2である。
第2モードのクランプ状態では、図5のスイッチSW21〜SW24は、第1モードと同様に、コイル電流IVCMの極性に応じて制御され、具体的には出力段102Aがソース側のとき、SW21,SW23がオンとされ、出力段102Bがソース側のとき、SW22,SW24がオンとされる。したがって、ソース側の出力段102#のアンプ114#(#=A,B)のバイアス電圧Vが基準電圧Vxとなり、出力電圧VOUT#は、基準電圧Vxにもとづいて生成される。
(第2モードのクランプレディ状態)
駆動部110は、第2モードのクランプレディ状態において、ソース側の出力段102#のハイサイドトランジスタを定電流源として動作させず、電流IVCMの極性に応じて、アンプ114A,114Bのバイアス電圧VBA,VBBを設定し、その状態で待機する。
(第3モード)
駆動部110は、第1出力段102Aの出力と第2出力段102Bの出力をローに固定する第3モード(ブレーキモードという)で動作可能である。駆動部110は、第3モードにおいて電源電圧VPWRが第2しきい値VTH2を超えると、第1モードのクランプレディ状態に遷移し、さらに電源電圧VPWRが第1しきい値VTH1を超えると、第1モードのクランプ状態に遷移する。この際、制御電圧VCNTは、VOUTA=VOUTB、すなわち駆動電圧VDRVがゼロとなる値に設定される。
(第4モード)
駆動部110は、第1出力段102Aの出力と第2出力段102Bの出力をPWM制御する第4モード(PWMモード)で動作可能である。駆動部110は、第4モードにおいて電源電圧VPWRが第2しきい値VTH2を超えると、第1モードのクランプレディ状態に遷移し、さらに電源電圧VPWRが第1しきい値VTH1を超えると、第1モードのクランプ状態に遷移する。この際、制御電圧VCNTは、PWM駆動のデューティ指令値に応じた電圧レベルに設定される。
(クランプ状態における電流制御)
図9は、正常状態、クランプレディ状態、クランプ状態を遷移するときの電流制御を説明する図である。
図4に示すように、カレントミラー回路を利用して、ハイサイドトランジスタMHを定電流源として動作させる構成をとると、ハイサイドトランジスタMHに流れる電流ICLが急峻に変化する。この電流ICLの変化速度が、第1駆動部112A、第2駆動部112Bの応答速度より速いと、動作が不安定になる。そこで駆動部110は、時刻tに電源電圧VPWRが第1しきい値VTH1を超えると、定電流源となるハイサイドトランジスタMHに流れる電流ICLを緩やかに増大させるとよい。具体的には、クランプレディ状態からクランプ状態に遷移するときに、図4の電流源CS1の電流Iを時間とともに緩やかに増大させるとよい。
また駆動部110は、時刻tに示すように、電源電圧VPWRが第1しきい値VTH1を下回ると、定電流源となるハイサイドトランジスタMHに流れる電流ICLを緩やかに減少させてもよい。具体的には、クランプ状態からクランプレディ状態に遷移するときに、図4の電流源CS1の電流Iを時間とともに緩やかに減少させるとよい。これにより回路の動作を安定化できる。
また、駆動部110は、電源電圧VPWRが第1しきい値VTH1を下回ると、定電流源となるハイサイドトランジスタMHに流れる電流ICLを非ゼロの電流量IOFS(たとえば0.5A)まで低下させて固定し、所定時間τの経過後に固定を解除するとよい。ハイサイドトランジスタMHの電流源動作を瞬時に解除すると、駆動部110の応答速度が追いつかずに、動作が不安定になるおそれがある。そこで所定時間τの間に、電流量をクランプ時の電流ICLより小さい非ゼロの電流量IOFSに固定することで、この所定時間の間に、駆動部110の動作点を徐々に変化させることができ、動作を安定化できる。
(用途)
図10は、モータドライバ回路100を備えるハードディスク装置900を示す図である。ハードディスク装置900は、プラッタ902、スイングアーム904、ヘッド906、スピンドルモータ910、シークモータ912、モータドライバ回路920を備える。モータドライバ920は、スピンドルモータ910やシークモータ912を駆動する。
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
(変形例1)
実施の形態では、モータドライバ回路100を、ハードディスク用のシークモータ駆動部924に適用する場合を説明したが、モータドライバ回路100の適用はそれに限定されず、モータドライバ回路100とは別の要因によって電源端子が上昇し、かつその上昇を抑制すべき回路に適用できる。
(変形例2)
実施の形態では、クランプ状態となる前に、クランプレディ状態を挿入したが、クランプレディ状態を省略してもよい。
100 モータドライバ回路
102A 第1出力段
102B 第2出力段
110 駆動部
112A 第1駆動部
112B 第2駆動部
114A 第1アンプ
114B 第2アンプ
116 メインコントローラ
118 クランプコントローラ
120 電圧判定部
122 第1コンパレータ
124 第2コンパレータ
130 電流極性判定部
900 ハードディスク装置
910 スピンドルモータ
912 シークモータ
914 電源回路
920 モータドライバ回路
922 スピンドルモータ駆動部
924 シークモータ駆動部
930 平滑キャパシタ

Claims (19)

  1. モータドライバ回路であって、
    駆動対象のモータのコイルの一端および電源端子と接続されるプッシュプル形式の第1出力段と、
    前記コイルの他端と前記電源端子と接続されるプッシュプル形式の第2出力段と、
    第1出力段および前記第2出力段を制御する駆動部と、
    を備え、
    前記駆動部は、前記電源端子の電源電圧が第1しきい値を超えるとクランプ状態に遷移し、前記クランプ状態において、前記第1出力段と前記第2出力段を構成するトランジスタを利用して前記電源端子から電流を引き抜くことを特徴とするモータドライバ回路。
  2. 前記駆動部は、前記クランプ状態において、前記第1出力段と前記第2出力段のうちソース側の出力段のハイサイドトランジスタを定電流源として動作させることを特徴とする請求項1に記載のモータドライバ回路。
  3. 前記駆動部は、前記クランプ状態において、前記ソース側の出力段のハイサイドトランジスタに、前記ハイサイドトランジスタとともにカレントミラー回路を構成するレプリカトランジスタを接続し、当該レプリカトランジスタに定電流を供給するように構成されることを特徴とする請求項2に記載のモータドライバ回路。
  4. 前記駆動部は、前記第1出力段および前記第2出力段を差動動作させて、前記モータの両端間に指令値に応じた駆動電圧を印加する第1モードで動作可能であり、前記第1モードにおける前記クランプ状態において、前記モータの両端間に前記指令値に応じた前記駆動電圧を印加し続けることを特徴とする請求項2または3に記載のモータドライバ回路。
  5. 前記駆動部は、
    前記指令値である制御電圧と、第1バイアス電圧にもとづいて前記第1出力段を制御する第1駆動部と、
    前記制御電圧と、第2バイアス電圧にもとづいて前記第2出力段を制御する第2駆動部と、
    を含み、
    前記第1モードの正常状態において、前記モータの電流の極性にかかわらず、前記第1バイアス電圧を、所定の基準電圧にセットし、前記第2バイアス電圧を、前記第1出力段の出力電圧にセットし、
    前記第1モードの前記クランプ状態において、前記第1駆動部と前記第2駆動部のソース側の一方のバイアス電圧を前記基準電圧にセットし、前記第1駆動部と前記第2駆動部のシンク側の他方のバイアス電圧を、ソース側の出力段の出力電圧にセットすることを特徴とする請求項4に記載のモータドライバ回路。
  6. 前記基準電圧は前記電源電圧の1/2であることを特徴とする請求項5に記載のモータドライバ回路。
  7. 前記駆動部は、
    前記第1モードにおいて、前記電源電圧が前記第1しきい値より低い第2しきい値を超えると、前記クランプ状態に遷移するのに先立ってクランプレディ状態に遷移し、
    前記第1モードの前記クランプレディ状態において、前記ソース側の出力段のハイサイドトランジスタを定電流源として動作させずに、前記第1駆動部と前記第2駆動部のバイアス電圧を、前記クランプ状態と同じ状態にセットして待機することを特徴とする請求項5または6に記載のモータドライバ回路。
  8. 前記駆動部は、前記第1出力段の出力と前記第2出力段の出力をハイインピーダンス状態とする第2モードで動作可能であり、前記第2モードにおける前記クランプ状態において、前記第1出力段と前記第2出力段のうちシンク側の出力段のハイインピーダンス状態を維持することを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載のモータドライバ回路。
  9. 前記駆動部は前記第2モードの前記クランプ状態において、前記ソース側の出力段の出力電圧を所定の電圧に固定することを特徴とする請求項8に記載のモータドライバ回路。
  10. 前記所定の電圧は、前記電源電圧の1/2であることを特徴とする請求項9に記載のモータドライバ回路。
  11. 前記駆動部は、前記第1出力段および前記第2出力段を差動動作させて、前記モータの両端間に指令値に応じた駆動電圧を印加する第1モードで動作可能であり、
    前記駆動部は、
    前記指令値である制御電圧と第1バイアス電圧にもとづいて前記第1出力段を制御する第1駆動部と、
    前記制御電圧と第2バイアス電圧にもとづいて前記第2出力段を制御する第2駆動部と、
    を含み、
    前記第1モードの正常状態において、前記モータの電流の極性にかかわらず、前記第1バイアス電圧を所定の基準電圧にセットし、前記第2バイアス電圧を前記第1出力段の出力電圧にセットし、
    前記第2モードの前記クランプ状態において、前記第1駆動部と前記第2駆動部のソース側の一方のバイアス電圧を前記基準電圧にセットすることを特徴とする請求項8から10のいずれかに記載のモータドライバ回路。
  12. 前記駆動部は、
    前記第2モードにおいて、前記電源電圧が前記第1しきい値より低い第2しきい値を超えると、前記クランプ状態に遷移するのに先立ってクランプレディ状態に遷移し、
    前記第2モードの前記クランプレディ状態において、前記ソース側の出力段のハイサイドトランジスタを定電流源として動作させずに、ソース側の駆動部のバイアス電圧を、前記クランプ状態と同じ状態にセットして待機することを特徴とする請求項11に記載のモータドライバ回路。
  13. 前記駆動部は、前記第1出力段の出力と前記第2出力段の出力をローに固定する第3モードで動作可能であり、前記第3モードにおいて前記電源電圧が前記第2しきい値を超えると、前記第1モードの前記クランプレディ状態に遷移することを特徴とする請求項7に記載のモータドライバ回路。
  14. 前記駆動部は、前記第1出力段の出力と前記第2出力段の出力をPWM制御する第4モードで動作可能であり、前記第4モードにおいて前記電源電圧が前記第2しきい値を超えると、前記第1モードの前記クランプレディ状態に遷移することを特徴とする請求項7に記載のモータドライバ回路。
  15. 前記駆動部は、前記電源電圧が前記第1しきい値を超えると、前記定電流源となる前記ハイサイドトランジスタに流れる電流を緩やかに増大させることを特徴とする請求項2から14のいずれかに記載のモータドライバ回路。
  16. 前記駆動部は、前記電源電圧が前記第1しきい値を下回ると、前記定電流源となる前記ハイサイドトランジスタに流れる電流を緩やかに減少させることを特徴とする請求項2から15のいずれかに記載のモータドライバ回路。
  17. 前記駆動部は、前記電源電圧が前記第1しきい値を下回ると、前記定電流源となる前記ハイサイドトランジスタに流れる電流を非ゼロの電流量まで低下させて固定し、所定時間経過後に固定を解除することを特徴とする請求項2から16のいずれかに記載のモータドライバ回路。
  18. ひとつの半導体基板に一体集積化されることを特徴とする請求項1から17のいずれかに記載のモータドライバ回路。
  19. ボイスコイルモータと、
    スピンドルモータと、
    前記ボイスコイルモータを駆動するボイスコイルモータ駆動部と、
    前記スピンドルモータを駆動し、電源端子が前記ボイスコイルモータ駆動部と共通に接続されるスピンドルモータ駆動部と、
    を備え、前記ボイスコイルモータ駆動部は、請求項1から18のいずれかに記載のモータドライバ回路を含むことを特徴とするハードディスク装置。
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