基于n通道和p通道m(xù)osfet的音圈電機高速驅動系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)，涉及一種音圈電機的驅動系統(tǒng)，解決現(xiàn)有采用高壓領域的集成橋驅動器存在資源浪費，且導致電機無法工作等問題，主要是針對音圈電機工作電壓較低工作頻率高的特點，采用兩個N通道和兩個P通道MOSFET及相關器件組成H橋電機驅動電路。該發(fā)明采用邏輯電路避免出現(xiàn)上電時橋的上下臂導通，采用高速CCD驅動器輸出高頻強驅動信號；根據N和P通道MOSFET的開通及關閉時間不同的特點，控制器輸出的驅動邏輯信號避免了在動態(tài)變化過程中上下臂同時導通；另外對驅動系統(tǒng)上電順序進行了規(guī)定。本發(fā)明避免在音圈電機的動態(tài)驅動過程中驅動橋的上下臂導通功耗增大。
【專利說明】基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種音圈電機的驅動系統(tǒng)，具體涉及一種航天應用滿足高可靠性要求 的音圈電機尚速驅動系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 目前，頻帶要求較高的快速控制反射鏡大多采用壓電陶瓷驅動，其結構諧振頻率 可以高達幾百，甚至上千赫茲，但所需的驅動電壓一般要幾百伏，并且驅動器的行程小，一 般只有十幾到幾十微米。而音圈電機的行程比壓電陶瓷高出兩個數量級，驅動電壓通常低 于二十伏。音圈電機（VCM)是通過考慮揚聲器是由根據在揚聲器的音圈中流動的音頻電流 和由永磁體產生的磁力之間的弗萊明左手定則所產生的力來回振動的事實開發(fā)的。直流電 機或者步進電機進行旋轉運動，然而，音圈電機能進行短距離直線往復運動，因而音圈電機 可用于快速控制反射鏡。
[0003] 現(xiàn)今的電機集成橋驅動器如IR2130功能強大，但通常是針對高壓如最高可達 600V的領域內應用，橋驅動器的工作電壓不低于12V，還需要采用外部電容進行H橋柵極電 壓的自舉升壓，當電容參數選擇不合理，可能導致電機無法工作甚至造成損壞。對應快速控 制反射鏡，需要的力矩小，工作電壓較低如5V，使用應用于高壓領域的集成橋驅動器不僅存 在資源浪費，還可能出現(xiàn)因反饋電壓過低導致芯片出現(xiàn)保護而無法工作，而且采購滿足航 天應用要求的低壓應用產品困難，因此需要對音圈電機的驅動電路進行精細設計。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有采用高壓領域的集成橋驅動器存在資源浪費，且導致電機無法 工作等問題，提供一種基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)。
[0005] 基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)，包括控制器、組合邏輯保 護電路、集成驅動器和H橋驅動電路；所述控制器輸出四路邏輯信號Ain、Bin、Cin和Din經 組合邏輯保護電路處理后形成四路驅動邏輯信號A、B、C和D，將所述四路驅動邏輯信號A、 B、C和D送入集成驅動器進行功率放大，獲得四路驅動信號A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF， 所述四路驅動信號A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF用于驅動H橋驅動電路，所述H橋驅動電 路通過對所述四路驅動信號的高低電平和占空比進行調節(jié)，實現(xiàn)對音圈電機的方向和速度 的控制；所述組合邏輯保護電路輸出的四路驅動邏輯信號要求滿足以下條件：驅動邏輯信 號A和C相位相反，驅動邏輯信號B和D正脈沖寬度小于A和C的正脈沖寬度；所述驅動邏 輯信號B上升沿滯后驅動邏輯信號A的上升沿，驅動邏輯信號D的上升沿滯后驅動邏輯信 號C的上升沿，且滯后的時間大于P型MOSFET從導通到截止的時間，所述驅動邏輯信號B 的下降沿超前驅動邏輯信號A的下降沿，驅動邏輯信號D的下降沿超前驅動邏輯信號C的 下降沿，且超前的時間大于N型MOSFET從導通到關斷的過渡時間。
[0006] 本發(fā)明的有益效果：
[0007] 一、本發(fā)明通過嚴格的上電順序要求和組合邏輯保護電路，避免上電時出現(xiàn)驅動 橋的上下臂導通功耗增大，燒毀器件。
[0008] 二、本發(fā)明通過使用P型和N型MOSFET的組合，兩種類型的MOSFET的源極都為固 定電壓，柵極的控制信號僅需要較小的幅度（大于門限電壓）即可實現(xiàn)驅動。
[0009] 三、本發(fā)明通過對控制器輸出的四路驅動邏輯信號進行限定，避免在音圈電機的 動態(tài)驅動過程中驅動橋的上下臂導通功耗增大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)中音 圈電機驅動系統(tǒng)框圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)中H 橋驅動電路原理圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)中組 合邏輯保護電路原理圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0013] 一、結合圖1至圖3說明本實施方式，基于N通道和P通道MOSFET 的音圈電機高速驅動系統(tǒng)，包括控制器、組合邏輯保護電路、集成驅動器和H橋驅動電路； 其特征是，所述控制器輸出四路邏輯信號Ain、Bin、Cin和Din經組合邏輯保護電路處理后 形成四路驅動邏輯信號A、B、C和D，將所述四路驅動邏輯信號A、B、C和D送入集成驅動器 進行功率放大，獲得四路驅動信號A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF，所述四路驅動信號A_BUF、 B_BUF、C_BUF和D_BUF用于驅動H橋驅動電路，所述H橋驅動電路通過對所述四路驅動信 號的高低電平和占空比進行調節(jié)，實現(xiàn)對音圈電機的方向和速度的控制；所述驅動邏輯信 號A和C相位相反，驅動邏輯信號B和D正脈沖寬度小于A和C的正脈沖寬度；
[0014] 本實施方式中所述的驅動邏輯信號B上升沿滯后驅動邏輯信號A的上升沿（對應 圖3中n個非門的延遲時間+1個與門的延遲時間），驅動邏輯信號D的上升沿滯后驅動邏 輯信號C的上升沿，且滯后的時間大于P型MOSFET從導通到截止的時間，所述驅動邏輯信 號B的下降沿超前驅動邏輯信號A的下降沿（對應圖3中n個非門的延遲時間一1個與門 的延遲時間），驅動邏輯信號D的下降沿超前驅動邏輯信號C的下降沿，且超前的時間大于 N型MOSFET從導通到關斷的過渡時間。
[0015] 結合圖2說明本實施方式，圖2為本發(fā)明所使用的H橋驅動電路，由兩組推拉結構 的N通道MOSFET和P通道MOSFET以及四個續(xù)流二極管組成。H橋驅動電路的工作電壓可 根據電機和負載特性選取，設定不超過15V。H橋驅動電路的高壓為VCC (VCC < 15)，低壓為 0,對于音圈電機，一種控制方法是控制器輸出的四個TTL電平的控制信號，其中對應A_BUF 和C_BUF的輸入控制信號Ain和Cin完全相反，為避免H橋上每臂上兩MOSFET同時導通， 留出死區(qū)時間，規(guī)定對應B_BUF和D_BUF的輸入控制信號Bin和Din正脈沖寬度分別小于 A_BUF和C_BUF的正脈沖寬度Ain和Cin，則此時音圈電機線圈在兩方向上的通電時間分別 由對應B_BUF和D_BUF的輸入控制信號Bin和Din正脈沖寬度決定。
[0016] 根據N和P通道MOSFET的工作特性，對于N通道M0SFET，當柵極高于源極門限電 壓即可實現(xiàn)導通，考慮到可靠性，集成驅動器輸出的低電平為低于（門限電壓- 1)V， 可直接設置為0V，輸出的高電平高于（門限電壓（Vthn)+1)即可；對于P通道MOSFET，當柵極 低于源極門限電壓即可實現(xiàn)導通，考慮到可靠性，集成驅動器輸出的高電平設置為VCC，輸 出的低電平低于（VCC - Vthn - 1)即可。這樣，可根據應用需要設定供電電源電壓VCC(高 于M0SFET的門限電壓，通常為4V)的值，而且不需要使用外部電容來進行自舉升壓，更不需 要和電機的電抗參數進行匹配，降低了設計難度。
[0017] 結合圖3說明本實施方式，本實施方式中采用組合邏輯電路，其作用是避免上電 時由于控制器的輸出端處于邏輯不確定狀態(tài)或者控制器處理邏輯錯誤從而出現(xiàn)驅動橋的 上下臂導通。輸出的脈沖寬度的表達式如式（1)所示，通過組合邏輯電路的互斥功能保證 輸出的A與B、C和D不同時為高，而且利用門電路的延遲功能，可給H橋驅動電路留出足夠 的死區(qū)時間。

【權利要求】
1. 基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)，包括控制器、組合邏輯保護 電路、集成驅動器和H橋驅動電路；其特征是，所述控制器輸出四路邏輯信號Ain、Bin、Cin 和Din經組合邏輯保護電路處理后形成四路驅動邏輯信號A、B、C和D，將所述四路驅動邏 輯信號A、B、C和D送入集成驅動器進行功率放大，獲得四路驅動信號A_BUF、B_BUF、C_BUF 和D_BUF，所述四路驅動信號A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF用于驅動H橋驅動電路，所述H 橋驅動電路通過對所述四路驅動信號的高低電平和占空比進行調節(jié)，實現(xiàn)對音圈電機的方 向和速度的控制； 所述組合邏輯保護電路輸出的四路驅動邏輯信號要求滿足以下條件： 驅動邏輯信號A和C相位相反，驅動邏輯信號B和D正脈沖寬度小于A和C的正脈沖 寬度； 所述驅動邏輯信號B上升沿滯后驅動邏輯信號A的上升沿，驅動邏輯信號D的上升沿 滯后驅動邏輯信號C的上升沿，且滯后的時間大于P型MOSFET從導通到截止的時間，所述 驅動邏輯信號B的下降沿超前驅動邏輯信號A的下降沿，驅動邏輯信號D的下降沿超前驅 動邏輯信號C的下降沿，且超前的時間大于N型MOSFET從導通到關斷的過渡時間。
2. 根據權利要求1所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)，其特 征在于，所述四路邏輯信號Ain、Bin、Cin和Din與四路驅動邏輯信號A、B、C和D的關系為 如下：式中n為大于等于1的正整數； A = Ain B的正脈沖寬度為Ain和Bin相與后的正脈沖縮短2n倍非門的延時時間 〇 C = Cin D的正脈沖寬度為Cin和Din相與后的正脈沖縮短2n倍非門的延時時間。
3. 根據權利要求1所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)，其特 征在于，所述的H橋驅動電路，由兩組推拉結構的N通道MOSFET和P通道MOSFET以及四個 續(xù)流二極管組成；H橋驅動電路的工作電壓根據電機和負載特性選取，設定不超過15V。
4. 根據權利要求1所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)，所述 H橋驅動電路的供電電源電壓為VCC，且VCC小于等于15V ;對應N型的MOSFET管，集成驅 動器輸出驅動信號低電平為0V，高電平為Vthn +1，所述Vthn為N型MOSFET的門限電壓；對 應P型的MOSFET管，集成驅動器輸出驅動信號低電平為VCC-Vthp-l，高電平與H橋驅動電路 的供電電源電壓相同，所述Vthp為P型MOSFET的門限電壓。
5. 根據權利要求1所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅動系統(tǒng)，其 特征在于，該驅動系統(tǒng)的上電順序為：外部的主控系統(tǒng)進行控制器、組合邏輯保護電路和集 成驅動器的上電，檢測到控制器、組合邏輯保護電路和集成驅動器的工作電壓偏差均小于 5%，并且控制器與主控系統(tǒng)通信，以及集成驅動器輸出使MOSFET處于關斷狀態(tài)的固定邏 輯電平時，進行H橋驅動電路的上電。
【文檔編號】H02P31/00GK104506115SQ201410719907
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月1日 優(yōu)先權日:2014年12月1日
【發(fā)明者】余達, 劉金國, 周懷得, 趙瑩, 陳佳豫, 曹金, 孫繼明 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所