KR101300901B1 - Ｈ 브리지 구동 회로 - Google Patents

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세미컨덕터 콤포넨츠 인더스트리즈 엘엘씨
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Abstract

필요에 따라 PWM 모드를 회피한다. 하이 임피던스 회로(10)의 출력에 의해, 출력 트랜지스터(QP1, QP2)를 온 오프하는 PWM 모드와, 연산 증폭기(OP)의 출력에 의해, 출력 단부(OUT1, OUT2)의 전압을 제어하는 정전압 모드를 갖고, 전환 신호(STBB)에 의해 이것을 전환한다.

Description

Ｈ 브리지 구동 회로{H BRIDGE DRIVING CIRCUIT}
직렬 접속된 상측 트랜지스터와 하측 트랜지스터로 이루어진 아암을 2개 갖고, 양 아암의 상측 및 하측 트랜지스터의 접속점을 출력 단부로 하며, 여기에 접속되는 코일에 순방향 및 역방향의 전류를 공급하는 H 브리지 구동 회로에 관한 것이다.
종래부터 보이스 코일 모터 등의 모터 코일의 구동에 H 브리지 회로가 사용되고 있다. 이 H 브리지 회로는, 직렬 접속된 상측 트랜지스터와 하측 트랜지스터로 이루어진 아암을 2개 갖고, 양 아암의 상측 및 하측 트랜지스터의 접속점을 출력 단부로 하고, 여기에 코일이 접속된다. 따라서, 한쪽 아암의 상측 트랜지스터와, 다른 쪽의 하측 트랜지스터를 온하여 코일에 일방향의 전류를 공급하고, 반대로 한쪽 아암의 하측 트랜지스터와, 다른 쪽의 상측 트랜지스터를 온하여 코일에 반대 방향의 전류를 공급할 수 있다.
예를 들어, 휴대 전화의 바이브레이터에는, 상술한 바와 같은 H 브리지 회로를 사용해서 구동되는, 보이스 코일 모터가 이용되는 경우가 많다.
여기서, H 브리지 회로의 출력 전류는, 바이브레이터의 강도에 따라 제어할 필요가 있고, 통상의 경우 PWM(펄스 폭 변조) 제어가 사용된다. 이 PWM 제어에서는, 한쪽 아암의 하측 트랜지스터를 온한 상태에서, 다른 쪽 아암의 상측 트랜지스터를 온 오프함으로써 출력 전류를 제어한다.
일본 특허 공개 제2008-289225호 공보 일본 특허 공개 제2010-206860호 공보
여기서, PWM 제어에서는, 상측 트랜지스터를 소정의 주파수로 온 오프한다. 이것은 코일에의 출력 전류의 전환 주파수에 비해 충분히 큰 주파수이다. 예를 들어, 보이스 코일 모터의 전환 주파수가 수 100Hz로서, PWM 제어의 전환 주파수는, 수 100kHz 정도의 것이 채용되는 경우가 많다. 그리고, 상측 트랜지스터는 플랜지에서 온 오프된다. 따라서, 고주파 노이즈가 발생하는 경우가 있고, 주변 회로의 상황에서는 이것이 문제가 되는 경우도 있다.
본 발명은, 직렬 접속된 상측 트랜지스터와 하측 트랜지스터로 이루어진 아암을 2개 갖고, 양 아암에 있어서의 상측 및 하측 트랜지스터의 접속점을 한 쌍의 출력 단부로 하며, 여기에 접속되는 코일에 순방향 및 역방향의 전류를 공급하는 H 브리지 구동 회로이며, 제1 아암 및 제2 아암의 상측 트랜지스터의 제어 단부에 소정의 듀티비의 PWM 신호를 공급함으로써, 제1 아암의 하측 트랜지스터를 온한 상태에서, 제2 아암의 상측 트랜지스터를 PWM 신호로 온 오프하는 공정과, 제2 아암의 하측 트랜지스터를 온한 상태에서, 제1 아암의 상측 트랜지스터를 PWM 제어로 온 오프하는 공정을 반복하는 PWM 모드와, 1입력 단부에 제어 전압이 입력되는 연산 증폭기의 출력 단부를 양 아암의 상측 트랜지스터의 제어 단부에 접속하고, 상기 한 쌍의 출력 단부를 연산 증폭기의 타 입력 단부로 귀환시켜, 출력 단부의 전압을 제어 전압으로 제어하여, 제1 아암의 하측 트랜지스터를 온한 상태에서, 제2 아암의 상측 트랜지스터의 제어 단부 전압을 제어함으로써 출력 단부의 전압을 제어 전압으로 제어하는 공정과, 제2 아암의 하측 트랜지스터를 온한 상태에서, 제1 아암의 상측 트랜지스터 제어 단부 전압을 제어함으로써 출력 단부의 전압을 제어 전압으로 제어하는 공정을 반복하는 정전압 모드를 갖고, 외부로부터의 전환 신호에 따라서 상기 양쪽 모드를 전환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 PWM 모드에서, 또한, 출력 단부의 전압을 정전압 제어하는 것이 적합하다.
또한, 상기 정전압 모드에서, 또한, 상기 연산 증폭기에 입력하는 제어 전압을 소정의 듀티비의 PWM 신호로 하는 것이 적합하다.
본 발명에 따르면, 전환 신호로 PWM 모드와 정전류 모드를 전환할 수 있다. 따라서, 탑재되는 기기에 따라서 적절한 모드를 선택하여 원하는 모터 구동이 가능하게 된다.
도 1은 실시 형태에 관한 H 브리지 구동 회로의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2a는 정전압 모드의 구동을 설명하는 도면이다.
도 2b는 정전압 모드의 구동을 설명하는 도면이다.
도 3a는 PWM 모드의 구동을 설명하는 도면이다.
도 3b는 PWM 모드의 구동을 설명하는 도면이다.
도 4a는 정전압+PWM 모드(1)의 구동을 설명하는 도면이다.
도 4b는 정전압+PWM 모드(1)의 구동을 설명하는 도면이다.
도 5a는 정전압+PWM 모드(2)의 구동을 설명하는 도면이다.
도 5b는 정전압+PWM 모드(2)의 구동을 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은, 실시 형태에 관한 1개의 반도체 집적 회로로 구성된 H 브리지 구동 회로의 구성예를 도시하는 도면이다. 모터 코일의 구동 신호로서, 1측의 구동계에 IN1P(P측), IN1N(N측), 2측의 구동계에 IN2P(PG측), IN2N(N측), 전부 4개의 신호가 입력되어 온다. 기본적으로 IN1P, IN2N이 온일 때에 IN2P, IN1N이 오프가 되고, IN1P, IN2N이 오프일 때에 IN2P, IN1N이 온이 됨으로써, 한쪽 구동계(출력 트랜지스터의 아암)로부터 전류를 토출할 경우에 다른 쪽 구동계(출력 트랜지스터의 아암)로부터 전류를 인발한다.
IN1P, IN1N은 하이 임피던스 제어 회로(10-1)에 입력된다. 이 하이 임피던스 제어 회로(10-1)는 IN1P, IN1N이 입력되는 배타적 논리합 회로(XOR)와, IN1P, IN1N 각각 입력되는, 난드 회로(NANDP, NANDN)와, 난드 회로(NADN)의 출력을 반전시키는 인버터(INV)로 이루어져 있다. 그리고, XOR의 출력이 NANDP, NANDN에 입력된다. 또한, IN1P가 NANDP에, IN1N이 NANDN에 입력됨과 함께, NANDP의 출력이 NANDN에 입력되어 NANDN의 출력이 NANDP에 입력된다.
따라서, IN1P, IN1N의 양쪽이 같은 값을 취했을 때에는, XOR의 출력이 L에 고정되고, NADP, NADN의 출력이 양쪽 모두 H에 고정된다. 따라서, 그 경우에는, P측 출력이 H, N측 출력이 L에 고정된다. 한편, IN1P, IN1N이 H, L인 경우, 양 출력이 H, IN1P, IN1N이 L, H인 경우, 양 출력이 L이 된다.
하이 임피던스 제어 회로(10-1)의 P측 출력은, 스위치(SW3-1)의 제어 신호가 되고, H인 경우에는 스위치(SW3-1)는 온, L인 경우에 스위치(SW3-1)가 오프로 된다. 스위치(SW3-1)는, 출력 트랜지스터(QP1)의 게이트와 전원을 연결하는 경로에 설치되어 있고, 스위치(SW3-1)가 온, 즉 하이 임피던스 제어 회로(10-1)의 P측 출력이 H일 때에 트랜지스터(QP1)가 오프된다.
또한, 하이 임피던스 제어 회로(10-1)의 N측 출력은, 출력 트랜지스터(QN1)의 게이트에 입력된다. 또한, 트랜지스터(QP1)는 p채널 트랜지스터이고, 트랜지스터(QN1)는 n채널 트랜지스터이며, 트랜지스터(QP1)는 소스가 전원에 접속되고, 드레인이 출력 단부(OUT1)에 접속되어 있다. 트랜지스터(QN1)는 드레인이 출력 단부(OUT1 및 QP1)의 드레인에 접속되고, 소스가 접지에 접속되어 있다.
따라서, 트랜지스터(QP1, QN1)의 게이트에 H를 공급하면, 트랜지스터(QN1)만이 온하고, 출력 단부(OUT1)로부터 전류가 인입된다. 한편, 트랜지스터(QP1, QN1)의 게이트에 L을 공급하면, 트랜지스터(QP1)만이 온하고, 출력 단부(OUT1)로부터 전류가 토출된다.
또한, 입력(IN2P, IN2N)에 대하여는, 하이 임피던스 제어 회로(10-2), 출력 트랜지스터(QP2, QN2)가 설치되어 있고, IN1P, IN1N에 관한 N측 구동계와 동일한 동작으로, 동일한 출력이 출력 단부(OUT2)에 얻어진다.
또한, 본 회로에는 전환 신호(STBB)와, 4비트의 제어 전압 데이터(HBPW)가 입력되어 온다. 제어 전압 데이터(HBPW)는, 디지털/아날로그 변환기(DAC)에 공급되고, 여기서 아날로그 제어 전압(Vout)으로 변환된다. DAC의 출력은, 연산 증폭기(OP)의 비반전 입력 단자에 공급되고, 이 OP의 출력은, 스위치(SW1-1)를 통하여 QP1의 게이트에 공급됨과 함께, 스위치(SW1-2)를 통하여 QP2의 게이트에 공급된다. 또한, 출력 단부(OUT1, OUT2)는 각각 스위치(SW2-1, SW2-2)를 통하여 OP의 반전 입력 단자에 접속되어 있다.
또한, 스위치(SW1-1 내지 SW3-1, SW1-2 내지 SW3-2)는 트랜지스터로 구성된다.
따라서, 스위치(SW1-1, SW1-2, SW2-1, SW2-2)가 온인 경우에는, 출력 단부(OUT1, OUT2)의 출력 전압이 OP의 입력 제어 전압(Vout)이 되도록 OP가 동작한다.
또한, 상술한 바와 같이, 하이 임피던스 제어 회로(10-1, 10-2)의 P측 출력은 그대로 트랜지스터(QP1, QP2)의 게이트에 공급되는 것이 아니라, QP1, QP2의 게이트와 전원을 연결하는 경로에 배치된 스위치(SW3-1, SW3-2)에 제어 신호로서 공급된다. 또한, 하이 임피던스 제어 회로(10-1, 10-2)의 P측 출력은, 스위치(SW1-1, SW1-2, SW2-1, SW2-2)에 반전된 제어 신호로서 입력되어 있다. 스위치(SW3-1, SW3-2)는 공급되는 제어 신호가 H일 때에 온, L일 때에 오프하고, 스위치(SW1-1, SW1-2, SW2-1, SW2-2)는 공급되는 제어 신호가 L일 때에 온, H일 때에 오프한다.
따라서, 하이 임피던스 제어 회로(10-1, 10-2)의 P측 출력이 L일 때에는, 트랜지스터(QP1, QP2)의 게이트가 OP의 출력 단부에 접속되고, OP의 전압에 따라 온하며, H일 때에는 트랜지스터(QP1, QP2)의 게이트가 전원에 접속되어 오프가 된다. 또한, 트랜지스터(QP1, QP2)의 게이트가 OP의 출력 단부에 접속된 경우에는, OP가 동작하고 있는 경우에는 출력 단부(OUT1, OUT2)가 Vout가 되도록 QP1, QP2가 제어되고, OP가 동작하고 있지 않은 경우에는 QP1, QP2의 게이트가 접지에 접속되어 풀 온해서 출력 단부(OUT1, OUT2)가 H로 된다.
또한, 전환 신호(STBB)는 DAC 및 OP에 공급되고, 이들은 전환 신호(STBB)가 PWM 모드를 나타내고 있을(예를 들어, H) 때에 동작하고, L일 때에 동작을 정지한다.
[정전압 구동 모드]
이러한 회로에 있어서, 전환 신호(STBB=H)인, 정전압 구동 모드이면, DAC 및 OP는 동작한다. 그리고, IN1P, IN1N, IN2P, IN2N이 모두 L 또는 H인 경우에는, 임피던스 제어 회로(10-1, 10-2)의 출력은 P측 H, N측 H가 된다. 따라서, 스위치(SW3-1, SW3-2)가 모두 온이며, 트랜지스터(QP1, QP2)가 모두 오프가 되고, 한편 트랜지스터(QN1, QN2)의 게이트는 L이며, 이들도 오프가 된다. 따라서, 출력 단부(OUT1, OUT2)의 출력은 하이 임피던스 상태(Hiz)가 된다.
IN1P, IN1N, IN2P, IN2N이 L, H, H, L인 경우(역 전류 모드)에는, 임피던스 제어 회로(10-1)의 P측 출력이 H가 되기 때문에, 스위치(SW3-1)가 온, 스위치(SW1-1, 1-2)가 오프해서 트랜지스터(QP1)의 게이트가 전원에 접속되어 오프한다. 한편, 임피던스 제어 회로(10-1)의 N측 출력이 H가 되기 때문에, 트랜지스터(QN1)는 온하고, 출력 단부(OUT1)는 L이 된다.
또한, 임피던스 제어 회로(10-2)의 P측 출력이 L이기 때문에, 스위치(SW3-2)가 오프, 스위치(SW1-2, 2-2)가 온해서 트랜지스터(QP2)의 게이트가 OP의 출력 단부에 접속된다. 한편, 임피던스 제어 회로(10-2)의 N측 출력이 L이 되기 때문에, 트랜지스터(QN2)는 오프가 된다. 따라서, OP에 의해 출력 단부(OUT2)의 전압이 Vout로 제어된다.
IN1P, IN1N, IN2P, IN2N이 H, L, L, H인 경우(순 전류 모드)에는, 출력 단부(OUT1, OUT2)로의 제어가 반대로 될 뿐이며, 출력 단부(OUT2)가 L, OUT1이 Vout로 제어된다.
상술한 바와 같은 STBB=H일 때의 상태에 대해서 표 1에 나타낸다.
Figure 112012053430361-pat00001
여기서, 도 2에는, 정전압 구동 모드에서의 역 전류 모드, 순 전류 모드 모두, 그 기간이 3개의 기간으로 분할되어 있고, 제어 전압 데이터(HBPW)의 값을 변경함으로써, 출력 전압 Vout가 3단계로 변화한다.
[PWM 구동 모드]
한편, 전환 신호 STBB=L인, PWM 모드에서는, DAC 및 OP는 그 동작이 정지되고, OP의 출력 단부는 접지에 접속된다.
IN1P, IN1N, IN2P, IN2N이 모두 H 또는 L인 경우에는, 트랜지스터(QP1, QN1, QP2, QN2)는 모두 오프가 되고, 출력 단부(OUT1, OUT2)가 하이 임피던스 상태가 되는 것은 STBB=H일 때와 같다.
IN1P, IN1N, IN2P, IN2N이 L, H, H, L인 경우(역 전류 모드)에는, OP는 동작하고 있지 않기 때문에, OUT2가 H레벨이 되고, OUT1이 L레벨이 된다. IN1P, IN1N, IN2P, IN2N이 H, L, L, H인 경우(순 전류 모드)에는, OUT1이 H레벨이 되고, OUT2이 L레벨이 된다.
상술한 바와 같은 STBB=H일 때의 상태에 대해서 표 2에 나타낸다.
Figure 112012053430361-pat00002
그리고, PWM 모드인 경우에는, 트랜지스터(QN1, QN2)의 한쪽을 온하고 있는 상태에서, 다른 아암의 트랜지스터(QP2, QP1)를 소정의 듀티비로 온 오프한다. 이에 의해, 출력 단부(OUT, OUT2)로부터의 출력 전압의 H기간을 제어하여, 출력 전압을 제어한다.
예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, IN1P, IN1N, IN2P, IN2N을, (HLLH)로 하는 기간과, (LLLH)로 하는 기간의 비율로, 역 전류 모드에서의 모터 전류를 제어하고, IN1P, IN1N, IN2P, IN2N을, (LHHL)로 하는 기간과, (LHLL)로 하는 기간의 비율로, 순 전류 모드에서의 모터 전류를 제어한다. 상기 예에서는, 역 전류 모드, 순 전류 모드 모두 듀티비를 15%, 85%, 15%로 전환함으로써, 모터 전류를 제어하고 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 전환 신호(STBB)에 의해, 정전압 모드와 PWM 모드를 전환할 수 있고, 세트 측의 요구에 따라 어느 쪽 모드의 구동도 가능하게 된다.
여기서, 상술한 예에서는, PWM 모드에서는, 전류를 출력하는 출력 단부(OUT1, OUT2)의 전위를 전원 전위와 접지 사이에서 올리거나 내리고, 정전압 모드에서는 Vout로 일정하게 제어했다. 그러나, 이들을 조합할 수도 있다.
[정전압+PWM(1)]
도 4에는, PWM 모드의 경우에, 트랜지스터(QP1, QP2)를 온했을 때 정전압 제어하는 예를 나타내고 있다. 즉, 전환 신호 STBB=L인 상태에서도, DAC 및 OP를 동작시켜, 출력 단부(OUT1, OUT2)의 상측 전압을 Vout로 정전압 제어한다. 즉, 임피던스 제어 회로(10-1, 10-2)로부터의 P측 출력이 L일 때에 스위치(SW1-1, 1-2)를 온으로 하고, OP의 출력을 트랜지스터(QP1, QP2)의 게이트에 공급하며, 출력 단부(OUT1, OUT2)의 전압을 OP에 의해 Vout로 제어한다.
[정전압+PWM(2)]
도 5에는, 정전류 모드에 있어서, 또한 PWM 구동을 이용하는 경우를 나타낸다. 즉, 정전압 모드에서, 입력되어 오는 제어 전압 데이터(HBPW)를 PWM 제어로 변경한다. 이에 의해, 제어 전압 데이터의 비트 수를 증가시키지 않아도, 보다 섬세하고 치밀한 출력 전압 제어를 행할 수 있다.
4개의 인풋으로부터, 150 내지 200헤르츠의 출력 트랜지스터를 전환하는 신호를 입력함으로써, 모터 코일에 대한 전류 방향의 전환을 행한다. 그리고, 2측(또는 1측)의 트랜지스터[QN2(QN1)]를 온한 상태에서, 1측(또는 2측)의 트랜지스터[QP1(QP2)]를 PWM 제어로 온 오프하여, 코일에의 전류량을 제어할 수 있음과 함께, 2측(또는 1측)의 트랜지스터[QN2(QN1)]를 온한 상태에서, 1측(또는 2측)의 트랜지스터[QP1(QP2)]를 OP로 제어해서 출력 단부(OUT1, OUT2)를 정전압 제어할 수 있다. 따라서, 세트 측의 요구에 의해, 이들을 구분지어 사용할 수 있다.
또한, PWM 제어와, 정전압 제어를 조합함으로써, 더욱 고도 출력 제어를 행할 수 있다.
10(10-1, 10-2): 하이 임피던스 제어 회로
DAC: 디지털/아날로그 변환기
OP: 연산 증폭기
QP(QP1, QP2), QN(QN1, QN2): 트랜지스터
SW(SW1-1 내지 SW3-1, SW1-2 내지 SW3-2): 스위치

Claims (3)

  1. 직렬 접속된 상측 트랜지스터와 하측 트랜지스터로 이루어진 아암을 2개 갖고, 양 아암에 있어서의 상측 및 하측 트랜지스터의 접속점을 한 쌍의 출력 단부로 하며, 여기에 접속되는 코일에 순방향 및 역방향의 전류를 공급하는 H 브리지 구동 회로이며,
    제1 아암 및 제2 아암의 상측 트랜지스터의 제어 단부에 소정의 듀티비의 PWM 신호를 공급함으로써, 제1 아암의 하측 트랜지스터를 온한 상태에서, 제2 아암의 상측 트랜지스터를 PWM 신호에 의해 온 오프하는 공정과, 제2 아암의 하측 트랜지스터를 온한 상태에서, 제1 아암의 상측 트랜지스터를 PWM 제어에 의해 온 오프하는 공정을 반복하는 PWM 모드와,
    1 입력 단부에 제어 전압이 입력되는 연산 증폭기의 출력 단부를 양 아암의 상측 트랜지스터의 제어 단부에 접속하고, 상기 한 쌍의 출력 단부를 연산 증폭기의 타 입력 단부에 귀환시켜서, 출력 단부의 전압을 제어 전압으로 제어함으로써, 제1 아암의 하측 트랜지스터를 온한 상태에서, 제2 아암의 상측 트랜지스터의 제어 단부 전압을 제어함으로써 출력 단부의 전압을 제어 전압으로 제어하는 공정과, 제2 아암의 하측 트랜지스터를 온한 상태에서, 제1 아암의 상측 트랜지스터 제어 단부 전압을 제어함으로써 출력 단부의 전압을 제어 전압으로 제어하는 공정을 반복하는 정전압 모드를 갖고, 외부로부터의 전환 신호에 따라 상기 양쪽 모드를 전환하는 H 브리지 구동 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PWM 모드에서, 또한 출력 단부의 전압을 정전압 제어하는 H 브리지 구동 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정전압 모드에서, 또한 상기 연산 증폭기에 입력하는 제어 전압을 소정의 듀티비의 PWM 신호로 하는 H 브리지 구동 회로.
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