談談電機控制晶片設計的霍爾效應

2020-11-23 電子產品世界

　　1879 年，馬裡蘭州立大學研究生霍耳發現：沿x 方向流過的電流受到其垂直方 向(z 方向)的磁場作用時，帶電離子會受到y 方向的磁力影響而產生電勢積累， 這就是霍耳效應。其中產生的電勢差被稱為霍耳電壓。由於變化的磁場會產生變化的電場，那麼，利用霍耳效應做磁場監測是可行的，事實上也是目前普遍採取的方法。基於霍耳效應的傳感-控制晶片廣泛應用在電機控制、手機、電流及磁 場測量等領域。

　　實際應用中，常用於PC 散熱等用途的直流無刷電機，由於外部障礙物等因素，可能異常停止運轉。電機控制晶片需要通過霍耳傳感器對磁場相位監測，判別異常停轉情況，及時關閉電機並延時重啟，以便電機能夠恢復正常工作。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/329355.htm

　　圖1 給出了霍耳效應晶片的設計框圖，由霍耳感應單元得到與磁場變換相關的電壓信號，經放大器放大及磁滯比較器判別，控制邏輯監測電機的運行狀態，做出 關斷或延時自啟動等功能，功率輸出管驅動外部電機工作。

　　

　　圖1 霍耳效應晶片的系統框圖

　　通常，電機需要在較寬的電壓範圍工作。在本設計中，目標要求晶片能夠工作在 3.3V~28V 的電壓範圍，並且當電機控制電壓高於54.7V 時，將輸出電壓鉗位防 止燒毀電機。

　　晶片工作電壓由其內部電壓源產生，而常見的帶隙基準很難在這樣寬的電壓範圍內正常的工作。因此，設計中採用三極體時代流行的齊納二極體鉗位方法產生電 壓源，如圖2 所示。這種電壓源可以在很寬的電壓範圍工作，但也有電流消耗較 大，且輸出隨電源電壓、溫度變化較大等諸多缺點。所幸在電機應用中，這些缺點是次要的。

　　當電壓VIN 高於齊納管的反向擊穿電壓(一般約為6~7V，這裡取6.5V)後，Vz 電壓被鉗制在6.5V，R1 起到限流的作用。而VIN 低於6.5V 而高於一定值，M1 也可以導通，使得VCC 有電壓，同樣可使內部電路工作。其中，M1,M2,M3 皆為 高壓器件。經過適當設計，該電壓源可以在3V~65V 之間工作。

　　

　　圖2 內部電壓源的產生

　　霍耳感應單元常用的形狀和工藝材料等有多種，此設計使用正方形外形並基於無 特殊摻雜的CMOS 工藝。 在圖3 左圖中，電流自+Vs 流向地端，磁場垂直於該片面，則將在方形的另外兩頂點之間會形成霍耳電壓Vo1。而通過開關控制，在下一時刻，電流流向及霍耳電壓取向改為右圖所示，這樣也能夠消除矽片的壓電電 阻(⊿R)效應。這樣較其他設計中常見的採用2 個或4 個霍耳感應單元消除壓電 電阻效應的方法更省面積，複雜度也有所減小。

　　

　　圖3 霍耳感應單元

　　感應的霍耳電壓經過放大器放大和磁滯比較器輸出相應的數位訊號，交由晶片控制邏輯部分處理。為克服電機工作中的意外停止，本設計包含了防鎖死及自動重啟機制。該機制根據比較器輸出信號相位的改變進行邊沿監測、計數、重置等工 作，與其他邏輯信號來判斷晶片的工作狀態。

　　

　　圖4 防鎖死重啟電路及時序

　　防鎖死重啟電路及時序如圖4 所示，CompA 經過延遲後與延遲之前信號進行異或運算，即可監測出脈衝邊緣變化。若使用1MHz 的時鐘信號，計數器持續計數到2^18=262,144us 時，電路進入鎖死狀態。21 位計數器繼續工作直到溢出，其間 時間差為2^21-2^18=1,835,008us，約1.8 秒後嘗試重啟，直到電機正常工作。

　　作為電機控制晶片，設計要求對輸出功率管的開關按照一定邏輯順序進行，並且需要監視防鎖死重啟電路的輸出，以及控制功率管的死區(dead zone)時間等。 這些功能由晶片邏輯控制部分完成，該部分簡化電路如圖5 所示。Comp 信號為 經過處理的磁滯比較器的輸出，Osc 信號來自振蕩器，H_peak 信號是計數器的輸 出，Reset 及其反信號是重啟動控制信號。當正常工作時，開關SW1 及SW3 有效; 當系統需要重啟動時，開關SW2 及SW4 有效。由En 信號控制開關組選擇晶片處 於正常狀態 或是重啟動狀態，En 信號電平由防鎖死重啟邏輯判斷給出。

　　

　　圖5 控制邏輯簡化電路圖

　　輸出驅動及保護電路如圖6 所示，晶片 片內部分由驅動電路、輸出功率管、電壓鉗位二極體構成。由於輸出功率管尺寸較大，需要驅動電路使其正常工作。其驅 動電路通常有串接的反向器串組成，且尺寸逐級增大。當VIN 過高時，可能燒毀 輸出功率管或電機，這裡電壓鉗位二極體串將Vout 鉗制在最高允許電壓。若要 求最高電壓為54.7V, 齊納二極體正向和反嚮導通電壓分別為0.7V 和6.5V, 那 麼以3 個正向和8 個反向齊納二極體串接，則鉗位電壓約在3×0.7+8×6.5+ 0.6=54.7V。

　　

　　圖 6 輸出驅動及保護電路

　　完成的晶片版圖如圖7 所示。該晶片採用0.5um, 雙層金屬，65V 高壓CMOS 工藝實現。經過測試，該晶片可以正常工作在2.8～28V 範圍，平均輸出電流可達 400mA。當電源電壓為24V 時，電流損耗為1.8mA，晶片面積650um×1140um。

　　

　　圖7 霍耳效應電機控制晶片版圖

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