KR0131432B1 - 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로 - Google Patents
열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로Info
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Abstract
상측 드라이브 트랜지스터와 하측 드라이브 트랜지스터 H자형 브리지를 형성하고 있는 H-브리지부(10)와, 상기 H-브리지부에 연결되어 있으며, 상기 H-브리지부의 바이어스를 변화시킴으로써 회전 모드시에 H-브리지부의 상측 트랜지스터가 활성영역에서 동작할 수 있는 최저전압을 공급하여 소비전력을 감소시키는 대신에 나머지 전력이 외부소자로 회로적으로 방출되도록 하는 로우드롭 조정가능 시리즈 레귤레이터(30)로 구성되어, 모터 드라이버 집적회로등에서 광범위하게 사용되는 H-브리지 회로에서 발생되는 전력의 소모를 외부의 소자로 회로적으로 전가함으로써 모터 드라이버 집적회로 자체의 열방생을 감소시켜 집적도를 높일 수 있는 효과를 가진 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로에 관한 것.
Description
제1도는 일반적이 플로피 디스크 드라이브 구동회로에서의 모터 드라이버 집적회로의 사용예를 나타낸 도면이고,
제2도는 종래의 모터 드라이버 집적회로의 회로 구성도이고,
제3도는 이 발명의 실시예에 따른 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로의 회로 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : H-브리지부 Q11∼Q13 : 상측 드라이브 트랜지스터
Q14∼Q16 : 하측 드라이브 트랜지스터
20 : 브러시리스 DC 스핀들 모터 30 : 로우드롭 조정가능 시리즈 레귤레이터
OP31 : 연산증폭기
이 발명은 열방출 기능를 구비한 모터 드라이버 집적회로(Integrated Circuit, IC)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 말하자면 모터 드라이버 집적회로등에서 광범위하게 사용되는 H-브리지 회로에서 발생되는 전력의 소모를 외부의 소자로 회로적으로 전가함으로써 모터 드라이버 집적회로 자체의 열발생을 감소시켜 집적도를 높일 수 잇는 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로에 관한 것이다.
일반적으로 모터 드라이버 집적회로는, 제1도에 도시되어 있는 바와 같이, 플로피 디스크 드라이브(Floppy Disc Drive, FDD) 또는 하드 디스크 드라이브(Hard Disc Drive, HDD)에서 스텝핑 모터나 스핀들 모터를 구동하는데 사용된다.
이하, 첨부된 도면을 참조로하여 종래의 모터 드라이버 집적회로에 대하여 설명한다.
제2도는 종래의 모터 드라이버 집적회로의 회로 구성도이다.
제2도에 도시되어 있듯이 종래의 모터 드라이버 집적회로의 구성은, 3상 H-브리지부(10)를 구성하고 있는 상측 드라이브 트랜지스터(Q11∼Q13)와 하측 드라이브 트랜지스터(Q14∼Q16)로 이루어진다. 동작시에는 상측 드라이브 트랜지스터(Q11∼Q13) 및 하측 드라이브 트랜지스터(Q14∼Q16)가 각각 1개씩 120°시프트되어 턴온상태가 된다.
상기한 3상 H-브리지부(10)의 출력단에는 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)가 연결된다.
상기한 구성에 의한, 종래의 모터 드라이버 집적회로의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
전원이 인가되면, 종래의 모터 드라이버 집적회로의 동작이 시작된다. 동작이 시작되면, 3상 H-브리지부(10)로부터 출력되는 전류에 의한 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)의 동작은 기동 모드와 회전 모드의 2가지 모드로 나눌수가 있다.
첫째로, 역기전력이 없고 높은 스타트 전류를 필요로 하는 기동 모드에는, 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)의 기동을 위하여 고전류가 필요하다.
따라서, 3상 H-브리지부(10)의 상측 드라이브 트랜지스터(Q11∼Q13)와 하측 드라이브 트랜지스터(Q14∼Q16)는 모두 포화영역에서 동작하게 되며, 최대의 전압, 전류를 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)로 공급하게 된다.
모터 드라이브 집적회로의 내부 신호에 의해서, 3상 H-브리지부(10)의 상측 드라이브 트랜지스터(Q11)와 하측 드라이브 트랜지스터(Q16)가 턴온상태일 경우에, 전류는 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)의 코일(L1, L3)로 흐르게 되고, 상기한 코일(L1, L3)의 양단간의 전압은 상측 드라이브 트랜지스터(Q11)의 에미터 전압(VEQ1)과 하측 드라이브 트랜지스터(Q16)의 컬렉터 전압(VCQ6)의 차이만큼 인가된다.
VEQ11 = Vcc - VCE, SAT, PNP - VBE, Q11 ----(1)
여기에서, VCE, SAT, PNP는 H-브리지형의 상측 드라이브 트랜지스터가 npn 타입이므로 npn 타입을 구동하는 pnp 타입의 트랜지스터가 포화되어야 하는 것을 나타낸다.
둘째로, 역기전력이 발생하면서 일정한 회전을 위한 전류제어가 필요한 회전 모드에서는 일정한 RPM(Rotation Per Min.)의 조정을 위하여 전류제어를 하게 되면서 기동시 요구되는 전류의 10% 내외의 전류만 요구된다.
그런데 최근에는, 시스템의 간편화 및 원가 절감, 고신뢰성을 위한 노력의 일환으로 상기한 바와 같은 모터 드라이버 집적회로와 주변회로의 원칩화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 모터 드라이버 집적회로에 대한 원칩화가 진행될 수록, 단위 칩에서 소비되는 전류의 증가로 인하여 열발생량이 증가됨으로써 열방출이 중요한 기술적 과제로 등장하게 되었다.
실제적으로,+5v 전원을 사용하는 2.5 하드디스크 드라이브에서는 스핀들 모터 드라이버 +보이스 코일 모터 드라이버 +디지틀/애널로그 컨버터를 모두 내장한 원칩 집적회로가 생산되고 있는 단계에 있으나, +12V 전원을 사용하는 3.5 하드 디스크 드라이브에서는 스핀들 모터 드라이버에서 발생되는 열문제로 인하여 원칩화에 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다.
따라서, 이 발명의 목적은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 모터 드라이버 집적회로등에서 광범위하게 사용되는 H-브리지 회로에서 발생되는 전력의 소모를 외부의 소자로 회로적으로 전가함으로써 모터 드라이버 집적회로 자체의 열발생을 감소시켜 집적도를 높일 수 있는 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 당성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, H자형 브리지를 이루고 있는 상측 드라이브 트랜지스터와 하측 드라이브 트랜지스터의 순차적인 스위칭 동작에 의해 모터를 구동하는 H-브리지부와, 상기 모터의 기능 모드시에는 전원 전압과 동일한 전압을 상기 H-브리지부의 바이어스 전압으로 공급하고 회전 모드시에는 상기 H-브리지부의 트랜지스터가 활성영역에서 동작할 수 있는 최저 전압을 바이어스 전압으로 공급하며, 내부에서 소비되지 않은 전력을 외부 소자로 방출되도록 하는 로우드롭 조정가능 시리즈 레귤레이터를 포함하여 이루어진다.
상기한 구성에 의하여, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로하여 상세히 설명한다.
제3도는 이 발명의 실시예에 따른 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로의 회로 구성도이다.
제3도에 도시되어 있듯이 이 발명의 실시예에 따른 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로의 구성은, 상측 드라이브 트랜지스터(Q11, Q12, Q13)와 하측 드라이브 트랜지스터(Q14, Q15, Q16)가 H자형 브리지를 이루고 있으며 각 트랜지스터의 순차적인 스위칭 동작에 의해 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)의 각 코일(L1, L2, L3)에 흐르는 전류의 방향을 전환시키는 3상 H-브리지부(10)와, 상기 3상 H-브리지부(10)의 바이어스 전압 단자에 연결되어 3상 H-브리지부(10)의 바이어스 전압을 제어하는 로우드롭 조정가능 시리즈 레귤레이터(30)를 포함하여 이루어져 있으며, 상기 로우드롭 조정가능 시리즈 레귤레이터(30)와 상기 3상 H-브리지부(10)사이에 피모스형 전계 효과 트랜지스터(PM1)가 외부 소자로 연결되어 있다.
여기에서, 제1도에 도시되어 있는 부분과 동일한 구성을 갖는 부분은, 서로 같은 부호를 사용하여 표현하였다.
상기 로우드롭 조정가능 시리즈 레귤레이터(30)의 구성은, 제어신호선(CONT)에 베이스 강자가 연결되어 있고 에미터 단자는 접지되어 있는 npn형 바이폴라 트랜지스터(Q31)와, 상기 트랜지스터(Q31)의 컬렉터 단자와 접지단 사이에 연결되어 있는 저항(R32)과, 상기 트랜지스터(Q31)의 컬렉터 단자와 3상 H-브리지부(10)의 바이어스 전압 단자 사이에 연결되어 있는 저항(R31)과, 상기 트랜지스터(Q31)의 컬렉터 단자에 비반전 입력단자가 연결되어 있고 기준전압 신호선(Vref)에 반전 입력단자가 연결되어 있는 연산 증폭기(OP31)로 이루어져 있다.
또한, 상기 피모스형 전계 효롸 트랜지스터(PM1)의 소스는 전원 전압(Vcc)단자와 연결되며, 게이트는 상기 연산 증폭기(OP31)의 출력단자와 연결되고, 드레인은 상기 3상 H-브리지부(10)의 바이어스 전압 단자와 연결된다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 실시예에따른 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로의 작용은 다음과 같다.
먼저 전원이 인가되면, 이 발명의 실시예에 따른 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로의 동작이 시작된다.
그리고, 이 모터 드라이버 집적회로에 의해 구동되는 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)에 흐르는 전류는 입력되는 제어신호(CONT)의 전압레벨에 비례하여 증감하게 되므로, 모터(20)의 기동을 위해 큰 기동 전류가 필요한 경우에는 하이 레벨의 제어신호(CONT)가 입력되고, 모터(20)가 일정속도에서 회전할 수 있도록 적은 전류만이 필요한 경우에는 로우 레벨의 제어신호(CONT)가 입력된다.
즉, 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)의 기동 모드시에는, 로우드롭 조정가능 시리즈 레귤레이터(30)의 트랜지스터(Q31)의 베이스 단자로 하이 상태의 제어신호(CONT)가 인가됨으로써 트랜지스터(Q31)가 턴온상태가 된다.
로우드롭 조정가능 시리즈 레귤레이터(30)의 트랜지스터(Q31)가 턴온되면, 연산증폭기(OP31)는 최대 에러신호 발생상태가 됨으로써 로우 신호를 전계효과 트랜지스터(PM1)의 게이트 단자로 출력한다.
그 결과, 전계효과 트랜지스터(PM1)가 턴온되면서 전계효과 트랜지스터(PM1)의 로우 RDS, ON특성으로 인하여 H-브리지부(10)의 바이어스 전압(VMOTOR)은 전원전압(Vcc)과 거의 같은 값을 가지게 되어 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)가 회전한다.
브러시리스 DC 스핀들 모터(20)가 일정한 RPM에 도달하게 됨으로써 로우상태의 제어신호(CONT)가 발생되면, 로우드롭 조정 가능 시리즈 레귤레이터(30)의 트랜지스터(Q31)가 턴오프상태가 되고, 따라서 H-브리지부(10)의 바이어스 전압(VMOTOR)은 다음이 수식 (2)와 같이 하강된다.
VMOTOR = Vref × (1 + R31/R32) -------- (2)
(단, VMOTOR ≥ VEQ11 + α = VBEMF + VCE, SAT, NPN + α)
여기에서, α는 3상 H-브리지부(10)의 상측 드라이브 트랜지스터(Q11∼Q13)가 활성 영역에서 동작하기 위한 전압값이다. 보통 α는 0.5≤α≥1 이면 된다.
결국, 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)가 일정속도에서 회전하는 경우에 H-브리지부(10)의 바이어스 전압(VMOTOR)은 상측 또는 하측 드라이브 트랜지스터(Q11∼Q13 또는 Q14∼Q16)가 활성영역에서 동작할 수 있는 최저전압이 된다.
여기서 α가 1일 경우에, 회전 모드 동작시 상측 드라이브 트랜지스터(Q11∼Q13)의 소비전력(PR)을 계산해보면 다음의 수식과 같다.
PR = IR × α = TR ---------------------- (3)
12V를 사용하고, 3.5 디스크 3600RPM 특성을 갖는 하드 디스크 드라이브의 경우에, (1)식에서의 Vcc -VEQ1은 4∼5V 정도이고, IR은 100mA 정도이다. 그러므로 종래의 회로에서의 3상 H-브리지부(10)의 상측 드라이브 트랜지스터(Q11∼Q13)에서의 소비전력(PR)은, PR = 100E - 3×4.5 = 450mW이다.
그러나, 본 발명에 의한 회로에서의 3상 H-브리지부(10)의 상측 드라이브 트랜지스터(Q11∼Q13)에서의 소비전력(PR)은, PR = 100E -3×1 = 100mW이다.
따라서, 종래에 비하여 350mW에 해당하는 열발생량을 줄일수가 있다.
즉, 회전 모드에서 VMOTOR의 전압을 Vcc 보다 낮게 제어하는 회로를 간단하게 구현함으로써 [VREF +외부 트랜지스터 한 개] 전압차에 의한 DC 열손실을 회로적으로 밖으로 빼낼수 있게 한 것이다. 이로써 3상 스핀들 모터 드라이브 집적회로의 경우에, 6개의 H-브리지형 트랜지스터를 원칩화하는데 있어서 열문제 제한을 받지 않을 수가 있고, 또한 열방출을 위한 고급팩키지를 사용하지 않아도 되는 효과가 있다.
VCQ6=VCE, SAT, NPN -------- (4)
VCOIL=Vcc-VCE, SAT, PNP-VBE, Q11-VCE, SAT, NPN --- (5)
전원전압(Vcc)이 클수록, 코일의 양단간에 걸리는 전압(VCOIL)이 증가하여 기동전류를 크게 할 수가 있다.
반면에, 회전 모드시에는 3상 H-브리지부(10)의 하측 드라이브 트랜지스터(Q14∼Q16)는 포화영역에서 동작하나, 상측 드라이브 트랜지스터(Q11∼Q13)는 활성영역에서 동작하면서 전류를 되먹임 컨트롤하여 브러시리스 DC 스핀들 모터(20)의 RPM이 일정하도록 유지시킨다.
이때의 상측 드라이브 트랜지스터(Q11)의 에미터 전압(VEQ11)은 다음의 수식 (6)과 같다.
VEQ11=VBEMF+VCE, SAT, NPN ------------------- (6)
여기에서, VBEMF 는 모터의 회전시 발생되는 역기전력이고, VCE, SAT, NPN은 하측 드라이브 트랜지스터의 포화전압이다. 상기한 역기전력(VBEMF)은 모터의 구조와 값이다.
회전 모드시의 소비전력(PR)을 구해보면 다음의 수식 (7)과 같다.
PR = IR × (Vcc - VEQ11) -------------- (7)
따라서, 역기전력의 최대치가 일정하고 전원전압(Vcc)보다 작기 때문에, 회전 모드시에 3상 H-브리지부(10)의 상측 드라이브 트랜지스터(Q11∼Q13)가 활성영역에서 동작할 수 있는 최저전압만을 공급함으로써 소비전력을 칩의 내부에서 감소시키고, 나머지는 열을 밖으로 빼낼 수가 있다.
이상에서와 같이 이 발명의 실시예에서, 모터 드라이버 집적회로등에서 광범위하게 사용되는 H-브리지 회로에서 발생되는 전력의 소모를 외부의 소자로 회로적으로 전가함으로써 모터 드라이버 집적회로 자체의 열발생을 감소시켜 집적도를 높일 수 있는 효과를 가진 열방출 기능를 구비한 모터 드라이버 집적회로를 제공할 수가 있다. 이 발명의 이러한 효과는 집적회로 분야에서 이용될 수 있다.
Claims (5)
- H자형 브리지를 이루고있는 상측 드라이브 트랜지스터와 하측 드라이브 트랜지스터의 순차적인 스위칭 동작에 의해 모터를 구동하는 H-브리지부와, 상기 모터의 기동 모드시에는 전원 전압과 동일한 전압을 상기 H-브리지부의 바이어스 전압으로 공급하고 회전 모드시에는 상기 H-브리지부의 트랜지스터가 활성영역에서 동작할 수 있는 최저전압을 바이어스 전압으로 공급하며, 내부에서 소비되지 않은 전력을 외부 소자로 방출되도록 하는 로우드롭 조정 가능 시리즈 레귤레이터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로.
- 제1항에서, 상기 로우드롭 조정기능 시리즈 레귤레이터는, 제어신호선에 베이스 단자가 연결되어 있고 에미터 단자는 접지되어 있는 트랜지스터와, 상기 트랜지스터의 컬렉터 단자와 접지 단자 사이에 연결되어 있는 제1저항과, 상기 트랜지스터의 컬렉터 단자와 상기 H-브리지부의 바이어스 전압 단자 사이에 연결되어 있는 제2 저항과, 상기 트랜지스터의 컬렉터 단자에 비반전 입력 단자가 연결되고 기준전압 신호선에 반전 입력단자가 연결되는 연산 증폭기를 포함하여 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 열방출 기능를 구비한 모터 드라이버 집적회로.
- 제2항에서, 상기 제어 신호선을 통해 인가되는 제어 신호는, 상기 모터의 기동 모드시에는 하이 레벨의 신호이고 회전 모드시에는 로우 레벨의 신호인 것을 특징으로 하는 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로.
- 제3항에서, 상기 트랜지스터는, npn형 바이폴라 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로.
- 제4항에서, 상기 외부 소자는, 소스가 전원 전압 단자와 연결되고 게이트가 상기 연산 증폭기의 출력 단자와 연결되며 드레인이 상기 H-브리지부의 바이어스 전압 단자와 연결되는 피모스형 전계 효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019940010926A KR0131432B1 (ko) | 1994-05-19 | 1994-05-19 | 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019940010926A KR0131432B1 (ko) | 1994-05-19 | 1994-05-19 | 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR950035028A KR950035028A (ko) | 1995-12-30 |
| KR0131432B1 true KR0131432B1 (ko) | 1998-04-14 |
Family
ID=19383370
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019940010926A KR0131432B1 (ko) | 1994-05-19 | 1994-05-19 | 열방출 기능을 구비한 모터 드라이버 집적회로 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR0131432B1 (ko) |
-
1994
- 1994-05-19 KR KR1019940010926A patent/KR0131432B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR950035028A (ko) | 1995-12-30 |
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