專利名稱：一種電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電荷泵，特別地，涉及一種直流/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路。
背景技術(shù)：
電荷泵也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC — DC變換器，它能使輸入電壓升高或降低，也可以用來產(chǎn)生負(fù)壓。通過利用電荷泵能夠產(chǎn)生高于輸入電壓的電壓，囚此它非常適用于H橋功率驅(qū)動電路，可作為H橋高端功率管的驅(qū)動電壓。雖然其增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，但能夠提供多路功率輸出，并提高系統(tǒng)整體效率，故在電機(jī)電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。電荷泵電路內(nèi)部的開關(guān)晶體管以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定囚數(shù)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調(diào)制過程可以保證高達(dá)80%的效率，而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關(guān)工作的，囚此電荷泵結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的輸出紋波和電磁干擾(Electro Magneticlnterference, EMI)。在電荷泵電路中，內(nèi)部開關(guān)晶體管的狀態(tài)切換對應(yīng)的電路狀態(tài)是由內(nèi)部0SC(0scillator振蕩器)的振蕩頻率決定的。電荷泵幾個主要指標(biāo)中，輸出電壓紋波主要與電荷泵工作頻率、輸出電流大小以及泵電容大小有關(guān)，最大輸出電流與泵電容和工作頻率有關(guān)，效率與電壓囚數(shù)和工作頻率相關(guān)?，F(xiàn)有的電荷泵電路若用于電機(jī)驅(qū)動器中，存在以下兩個缺點:1.固定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定電壓囚數(shù)，即輸出電壓與輸入電壓的比值。在電機(jī)驅(qū)動器工作時，需要的是一個高于電源電壓的電壓值，而此電壓值與電源電壓的差值需要保持恒定，同時電機(jī)驅(qū)動器的工作電壓也是隨應(yīng)用系統(tǒng)變化而不同的。囚此所需的電壓囚數(shù)是變化的，而現(xiàn)有的固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電荷泵很難滿足這個要求。2.電荷泵相比較其他的DC — DC變換器具有較高的能量利用效率，一般可達(dá)80%以上，但若電壓囚數(shù)很小時，輸出電壓與輸入電壓的差值比較小的情況會導(dǎo)致現(xiàn)有的電荷泵效率大大降低，大部分能量會被電荷泵的開關(guān)管以及偏置電路消耗，同時也產(chǎn)生不必要的熱能影響芯片正常工作。囚此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種適用于電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵，來實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動器中H橋高端功率管的驅(qū)動，同時滿足低紋波和低功耗的要求。

實用新型內(nèi)容有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其采用特殊的反饋機(jī)制對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證輸出電壓與輸入電壓的差值恒定，從而保證H橋高端功率管的柵源電壓Vgs固定，使得高端功率管導(dǎo)通電阻恒定，從而提聞電機(jī)驅(qū)動器的驅(qū)動性能；同時在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，提聞電荷栗的工作效率，達(dá)到節(jié)省功耗的目的。[0010]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其包括至少一對PMOS開關(guān)管、至少一對NMOS開關(guān)管、反饋控制單元、OSC振蕩器、與所述MOS開關(guān)管數(shù)量相同的驅(qū)動器單元；其中，所述驅(qū)動器單元包括一個運算放大器單元、一個比較器單元、一個按所述第二 NMOS管比例縮小的NMOS鏡像管、五個電阻元件、一對三極管電流鏡和一個PMOS晶體管。 如上述的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其中，所述PMOS開關(guān)管與所述NMOS開關(guān)管構(gòu)成一組H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述PMOS開關(guān)管和NMOS開關(guān)管分別與各自對應(yīng)的驅(qū)動器單元連接，且至少一個PMOS開關(guān)管與所述反饋控制單元連接，所述反饋控制單元與所述OSC振蕩器連接。如上述的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其中，包括兩個PMOS管，分別為第一 PMOS管和第二 PMOS管；兩個NMOS管，分別為第一 NMOS管和第二 NMOS管。進(jìn)一步地，如上述的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其中，所述反饋控制單元與所述第二 PMOS管相連。如上述的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其中，所述驅(qū)動器單元分別接收來自所述OSC振蕩器單元的兩相非交疊時鐘信號，并對應(yīng)輸出不同的柵極驅(qū)動信號。囚此，本實用新型的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路對泵電容的充電電流和充電時間可以控制泵電容上存儲的電荷量，當(dāng)泵電容上電荷量的值為泵電容大小與電源電壓乘積的一半時，電荷泵的工作效率處于最優(yōu)化狀態(tài)。反饋控制單元對輸出電壓的監(jiān)控保證輸出電壓與輸入電壓的差值恒定，輸出電壓用來驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動器的H橋高端功率管，保證高端功率管導(dǎo)通電阻值小且恒定，不會因為阻值變化引起電機(jī)驅(qū)動器性能惡化。通過利用電荷泵輸出電壓的特性，本實用新型可以保證對直流/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器中H橋高端NMOS功率管的柵極的驅(qū)動能力，從而保證無論輸出電流或大、或小、或正、或負(fù)，對直流/步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電流維持恒定。這樣本實用新型在保證了電磁干擾較小的同時，又能減小H橋高端NMOS功率管的導(dǎo)通電阻，在滿足電機(jī)電流穩(wěn)定的同時保證驅(qū)動器的工作效率。

圖1是本實用新型的優(yōu)選實施例的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型的包含OSC振蕩器的反饋控制單元的電路示意圖；圖3是本實用新型的驅(qū)動器3中提升電荷泵工作效率的電路示意圖；圖4是本實用新型驅(qū)動器3中泵電容充電電流控制電路的示意圖；圖5是本實用新型的OSC振蕩器輸出信號示意圖；圖6是本實用新型的電荷泵輸出電壓Vcp的波形示意圖。
具體實施方式
以下將結(jié)合附圖對本實用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。本實用新型的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路包括至少一對PMOS開關(guān)管、至少一對NMOS開關(guān)管、反饋控制單元、OSC振蕩器以及與MOS開關(guān)管數(shù)量相同的驅(qū)動器單元。其中，PMOS開關(guān)管與NMOS開關(guān)管構(gòu)成一組H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上述的MOS開關(guān)管分別與各自對應(yīng)的驅(qū)動器單元連接，且至少一個PMOS開關(guān)管與反饋控制單元連接，反饋控制單元與OSC振蕩器連接。在本實用新型中，MOS開關(guān)管的數(shù)量至少為兩對，以形成H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MOS開關(guān)管分別接收來自各自驅(qū)動器單元的不同的控制信號。各個驅(qū)動器單元分別接收來自O(shè)SC振蕩器單元的兩相非交疊時鐘信號，開對應(yīng)輸出不同的柵極驅(qū)動信號。驅(qū)動器單元輸出電壓隨OSC振蕩器輸出的兩相非交疊時鐘信號的電壓的升高而降低；隨OSC振蕩器輸出的兩相非交疊時鐘信號的電壓的降低而升高。圖1是本實用新型的優(yōu)選實施例的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖，其中，包括兩個PMOS管，分別為第一 PMOS管MPl和第二 PMOS管MP2 ;兩個NMOS管，分別為第一 NMOS管MNl和第二 NMOS管MN2。反饋控制單元與第二 PMOS管MP2相連。OSC振蕩器產(chǎn)生的兩相非交疊時鐘PHASE A信號和PHASE B信號分別控制圖1中的四個驅(qū)動器單元。驅(qū)動器單元收到時鐘信號后分別輸出信號來控制各自的MOS開關(guān)管。各個MOS開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的不同狀態(tài)使得電路處于充電階段，即電源對泵電容充電，或者放電階段，即讓泵電容對輸出電容和負(fù)載放電，或者保持階段，即泵電容上電荷量保持不變，輸出電容對負(fù)載放電三個狀態(tài)。圖2是本實用新型的包含OSC振蕩器的反饋控制單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖，其采用MOS管電流鏡和三極管，電荷泵輸出電壓Vcp通過電阻R2連接到一個三極管的發(fā)射極，電源電壓VBB，即電荷泵輸入電壓連接到這個三極管的基極，Vcp與Vbb的電壓差值作用到電阻R2上，產(chǎn)生一股電流流入此三極管的發(fā)射極。由于三極管基極電流很小，所以發(fā)射極電流約等于集電極電流，此電流在電阻R3上轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓作為輸入信號送入比較器的正輸入端中，比較器的負(fù)輸入端連接帶隙基準(zhǔn)輸出電壓。比較器將兩個電壓比較之后輸出一個控制信號控制OSC振蕩器，即Vcp與Vbb的電壓差值經(jīng)過電路換算之后與帶隙基準(zhǔn)電壓比較，通過比較器來控制輸出電壓與輸入電壓差值的穩(wěn)定。圖2中比較器正輸入端的另外一股電流用來補償由于溫度變化而導(dǎo)致三極管的b-e結(jié)正向電壓Vbe變化而導(dǎo)致的誤差。圖3是本實用新型的驅(qū)動器3中提升電荷泵工作效率的電路示意圖。驅(qū)動器3包括一個運算放大器單元，一個比較器單元，一個按第二 NMOS管麗2比例縮小的NMOS鏡像管麗3，五個電阻元件R1-R5，一對三極管電流鏡，一個PMOS晶體管。圖3虛線框中的電路部分檢測CPl點的電壓，NMOS鏡像管麗3中的電流由Vbb與CPl的電壓差值決定，經(jīng)過電阻R3和三極管電流鏡，此電流在電阻R5上產(chǎn)生壓降，再作為輸入信號輸入到比較器的正輸入端，比較器負(fù)輸入端連接帶隙基準(zhǔn)輸出電壓，兩個電壓經(jīng)過比較器比較之后，比較器輸出一個控制信號控制OSC振蕩器，即Vbb與CPl的電壓差值經(jīng)過電路換算之后與帶隙基準(zhǔn)電壓比較，通過比較器來實現(xiàn)CPl點電壓值的控制，其電壓值設(shè)計在電源電壓Vbb電壓一半的附近。圖4是本實用新型的驅(qū)動器3中泵電容充電電流控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3虛線框中的電路部分檢測電荷泵充電階段的充電電流大小，即穩(wěn)定充電電流。NMOS鏡像管麗3尺寸為第二 NMOS開關(guān)管麗2尺寸按一定比例縮小，電阻R4阻值較小。電荷泵電路處于充電階段過程中，第二 NMOS開關(guān)管MN2開啟，NMOS鏡像管MN3中的電流按一定比例鏡像第二 NMOS開關(guān)管麗2中的電流，此電流流過電阻R4，在電阻R4上產(chǎn)生的電壓作為輸入信號輸入到運算放大器的負(fù)輸入端，運算放大器的正輸入端電壓來自帶隙基準(zhǔn)電壓的分壓。正常工作情況下，運算放大器正輸入端和負(fù)輸入端電壓相等，囚此包含運算放大器的反饋回路保證R4上的電壓穩(wěn)定，即NMOS鏡像管MN3中的電流保證穩(wěn)定，從而控制了充電電流的大小，保證充電電流穩(wěn)定。下面根據(jù)本實用新型的電荷泵的信號波形圖5來詳細(xì)說明本實實用新型中電荷泵的工作過程。當(dāng)電荷泵電路上電完成后，OSC振蕩器電路單元的自動輸出如圖5所示。當(dāng)輸入時鐘信號PHASEA下降到低電平，輸入時鐘信號PHASE B上升到高電平時，PHASE A信號經(jīng)過驅(qū)動器2和驅(qū)動器3之后反相，即驅(qū)動器2和驅(qū)動器3單元輸出高電平，PHASE B信號經(jīng)過驅(qū)動器I和驅(qū)動器4之后不反相，即驅(qū)動器I和驅(qū)動器4單元輸出高電平。第一 NMOS開關(guān)管MNl和第二 NMOS開關(guān)管MN2打開，第一 PMOS開關(guān)管MPl和第二 PMOS開關(guān)管MP2關(guān)斷，電源電壓Vbb，即輸入電壓，通過第一 NMOS開關(guān)管，泵電容Cpump和第二 NMOS開關(guān)管麗2到地形成充電回路，電荷泵電路處于充電階段，持續(xù)時間為tl。同時圖4所示的泵電容充電電流控制電路開始工作，充電電流控制在設(shè)計值，泵電容Cpump上的電荷量逐漸增加。當(dāng)圖3所示的提升電荷泵工作效率的電路檢測到泵電容Cpump上的電荷量已經(jīng)充到設(shè)計值時，圖3所示的檢測電路輸出信號到OSC振蕩器，PHASE A信號此時上升到高電平，PHASE B信號此時保持高電平，第一 NMOS開關(guān)管MN1、第二 NMOS開關(guān)管MN2、第一 PMOS開關(guān)管MPl和第二 PMOS開關(guān)管MP2都關(guān)斷，電荷泵電路進(jìn)入等待階段，此階段持續(xù)時間tw較短，泵電容Cpump電荷量保持不變。經(jīng)過時間tw之后，電荷泵電路自動進(jìn)入放電階段t2,此時OSC振蕩器輸出信號PHASE B下降到低電平，PHASE A信號保持高電平，第一 PMOS開關(guān)管MPl和第二 PMOS開關(guān)管MP2柵極電壓變?yōu)榈碗娖?，處于?dǎo)通階段，第一 NMOS開關(guān)管麗I和第二 NMOS開關(guān)管麗2關(guān)斷，電源和泵電容上的電量通過第一 PMOS開關(guān)管MPl和第二 PMOS開關(guān)管MP2通路向輸出電容Cout放電，輸出電壓Vcp逐漸上升。當(dāng)輸出電壓Vcp上升到設(shè)計值時，圖2所示的反饋控制電路檢測到輸出電壓Vcp上升到設(shè)計值后，輸出信號送入OSC振蕩器，PHASE B信號此時上升到高電平，PHASE A信號此時保持高電平，第一 NMOS開關(guān)管MN1、第二 NMOS開關(guān)管MN2、第一 PMOS開關(guān)管MPl和第二 PMOS開關(guān)管MP2都關(guān)斷， 電荷泵電路再次進(jìn)入等待階段，此階段持續(xù)時間tw。輸出電壓Vcp由于向負(fù)載放電，電壓逐漸下降，等待下一次循環(huán)開始。圖6是電荷泵輸出電壓Vcp的波形示意圖。在放電階段t2時間內(nèi)，Vcp電壓囚輸出電容Cout被充電而逐漸升高，在充電階段tl時間以及等待階段tw時間內(nèi)，Vcp電壓囚輸出電容Cout向負(fù)載提供負(fù)載電流而逐漸減低。電荷泵輸出電壓的紋波AVcp為輸出電壓Vcp的最高電壓值與最低電壓值之差，紋波△ Vcp越小說明電荷泵輸出電壓越穩(wěn)定，設(shè)定電荷泵工作頻率需要在輸出電壓紋波和電荷泵功耗中折中，設(shè)定為一個合適的值。以上詳細(xì)描述了本實用新型的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本實用新型的構(gòu)思作出諸多修改和變化。囚此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本實用新型的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.種電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其特征在于，包括至少一對PMOS開關(guān)管、至少一對NMOS開關(guān)管、反饋控制單元、OSC振蕩器、與所述MOS開關(guān)管數(shù)量相同的驅(qū)動器單元；其中，所述驅(qū)動器單元包括一個運算放大器單元、一個比較器單元、一個按所述第二 NMOS管比例縮小的NMOS鏡像管、五個電阻元件、一對三極管電流鏡和一個PMOS晶體管。
2.權(quán)利要求1所述的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其特征在于，所述PMOS開關(guān)管與所述NMOS開關(guān)管構(gòu)成一組H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述PMOS開關(guān)管和NMOS開關(guān)管分別與各自對應(yīng)的驅(qū)動器單元連接，且至少一個PMOS開關(guān)管與所述反饋控制單元連接，所述反饋控制單元與所述OSC振蕩器連接。
3.權(quán)利要求1所述的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其特征在于，包括兩個PMOS管，分別為第一 PMOS管和第二 PMOS管；兩個NMOS管，分別為第一 NMOS管和第二 NMOS管。
4.權(quán)利要求3所述的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其特征在于，所述反饋控制單元與所述第二 PMOS管相連。
5.權(quán)利要求1所述的電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，其特征在于，所述驅(qū)動器單元分別接收來自所述OSC振蕩器單元的兩相非交疊時鐘信號，并對應(yīng)輸出不同的柵極驅(qū)動信號。
專利摘要本實用新型公開了一種電機(jī)驅(qū)動器的電荷泵電路，包括至少一對PMOS開關(guān)管、至少一對NMOS開關(guān)管、反饋控制單元、0SC振蕩器、與所述MOS開關(guān)管數(shù)量相同的驅(qū)動器單元；其中，所述驅(qū)動器單元包括一個運算放大器單元、一個比較器單元、一個按所述第二NMOS管比例縮小的NMOS鏡像管、五個電阻元件、一對三極管電流鏡和一個PMOS晶體管。通過利用電荷泵輸出電壓的特性，本實用新型可以保證對直流/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器中H橋高端NMOS功率管的柵極的驅(qū)動能力，從而保證對直流/步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電流維持恒定，因此保證了電磁干擾較小的同時，又能減小H橋高端NMOS功率管的導(dǎo)通電阻，滿足電機(jī)電流穩(wěn)定的同時保證驅(qū)動器的工作效率。
文檔編號H02M3/07GK202931189SQ20122055784
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者湛衍, 黃武康, 楊志飛, 代軍, 姚遠(yuǎn), 張偉, 潘慧君, 楊小波, 殷明 申請人:嘉興禾潤電子科技有限公司