用于步進電機的電荷泵驅(qū)動電路系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型一種用于步進電機的電荷泵驅(qū)動電路系統(tǒng)，電荷泵轉(zhuǎn)換電路其具體主要包括至少一對開關(guān)管、一對開關(guān)管、第一電容、第二電容以及四個開關(guān)管驅(qū)動器；反饋控制電路檢測電容兩極板的電壓和輸出電壓大小，并根據(jù)檢測結(jié)果，生成脈沖寬度調(diào)制信號，控制開關(guān)管的導通與截止，使得所述電荷泵電路分別工作于第一階段、第二階段、第三階段和第四階段，在不同的階段完成對泵電容的充電與放電，對輸出電容的充電，從而完成電荷泵所需要的升壓功能。本實用新型在反饋控制電路的作用下，電荷泵電路將輸入電壓Vin升壓為大小根據(jù)輸入電壓線性變化的輸出電壓Vout。
【專利說明】用于步進電機的電荷泵驅(qū)動電路系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型涉及電荷升壓電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于步進電機的電荷泵驅(qū)動電路系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中的帶有穩(wěn)壓裝置的電荷泵電路的示意圖。已知的電荷泵電路主要由第一電容Cl，第二電容C2以及開關(guān)電路組成。具體而言，開關(guān)組合電路由第一開關(guān)S1、第二開關(guān)S2、第三開關(guān)S3以及第四開關(guān)S4組成。第一開關(guān)SI耦合于輸入電壓Vin與第一電容Cl的第一電極NB之間。第二開關(guān)S2耦合于第一電容Cl的第一電極NA與地面參考地位之間。第三開關(guān)S3稱合于輸入電壓Vin與第一電容Cl的第二電極NB之間。第四開關(guān)S4耦合于第一電容Cl的第二電極NB與輸出端OUT之間。第二電容C2的第一電極NC耦合于輸出端0UT，因此也連帶耦合于第四開關(guān)S4。第二電容C2的第二電極ND耦合于輸入端。
[0003]已知的電荷泵電路的操作方法由第一階段與第二階段所構(gòu)成。在第一階段中，第一與第四開關(guān)SI和S4皆處于不導通狀態(tài)并且第二與第三開關(guān)S2與S3皆處于導通狀態(tài)，使得第一電容Cl的第一電極NA f禹合于地面參考電位并且第一電容Cl的第二電極NB f禹合于輸入電壓Vin。因此在第一階段中,第一電容Cl被充電,使得第二與第一電極NB與NA間的電位差升高至一個Vin。隨后在第二階段中，第一與第四開關(guān)SI與S4皆處于導通狀態(tài)并且第二與第三開關(guān)S2與S3皆處于不導通狀態(tài),使得第一電容Cl的第一電極NAf禹合于輸入電壓Vin并且第一電容Cl的第二電極NB稱合于輸出端NC。結(jié)果，在第二階段開始時，第一電容Cl的第二電極NB處的電壓從原本的Vin被瞬間提高至2*Vin。經(jīng)由已導通的第四開關(guān)S4，此電壓2*Vin施加輸出端NC，使得已知的電荷泵電路得以有效地提供2*Vin的輸出電壓Vol。
[0004]電荷泵電路在沒有穩(wěn)壓裝置的情況下僅能提供固定在2*Vin的輸出電壓Vol。為了提供可在Vin與2*Vin之間任意調(diào)整的輸出電壓Vout，已知的電荷泵電路的第二電容C2的第一電極NC與輸出端OUT間必須額外設置線性電壓調(diào)節(jié)器。根據(jù)驅(qū)動電路對電荷泵輸出電壓的要求，線性電壓調(diào)節(jié)器將與第二電容C2的第一電極NC上的泵電壓Vol轉(zhuǎn)換成介于Vin與2*Vin之間的輸出電壓Vout。雖然線性電壓調(diào)節(jié)器有效地將固定的泵電壓Vol轉(zhuǎn)換成介于Vin與2*Vin之間的可調(diào)整輸出電壓Vout，但是線性電壓調(diào)節(jié)器造成轉(zhuǎn)換效率下降而浪費能源的缺點。
[0005]如圖2所示，步進電機驅(qū)動芯片H橋驅(qū)動電壓與電源電壓關(guān)系其電源電壓范圍變化大，且要求H橋驅(qū)動電壓跟隨輸入電壓線性變化，線性穩(wěn)壓器在高壓環(huán)境下難以正常工作，也不能保持輸出電壓跟隨輸入電壓呈線性變化關(guān)系。因此，現(xiàn)有的電荷泵在不改變其拓撲結(jié)構(gòu)下很難滿足這一要求。
實用新型內(nèi)容
[0006]針對上述問題，本實用新型提供一種輸出電壓跟隨輸入電壓線性變化的用于步進電機的電荷驅(qū)動電路系統(tǒng)。
[0007]本實用新型用于電機的電荷驅(qū)動電路，至少包括電荷泵轉(zhuǎn)換電路和反饋控制電路，其中所述電荷泵轉(zhuǎn)換電路至少包括由一對PMOS開關(guān)管和一對NMOS開關(guān)管以及第一電容構(gòu)成的H橋拓撲結(jié)構(gòu)、耦合于地面電位和輸出端之間的第二電容，其中所述的一對PMOS開關(guān)管和一對NMOS開關(guān)管分別各自連接第一驅(qū)動器、第二驅(qū)動器、第三驅(qū)動器和第四驅(qū)動器；
[0008]所述反饋控制電路，生成脈沖寬度信號，控制所述的PMOS開關(guān)管和NMOS開關(guān)管的導通與關(guān)斷，基于所述PMOS開關(guān)管和所述NMOS開關(guān)管的導通與關(guān)斷控制所述電荷泵轉(zhuǎn)換電路分別處于第一階段、第二階段、第三階段和第四階段，其中，第一階段，第一電容完成充電，第二電容不斷向外輸出電流；電第二階段，第一電容既不充電也不放電，第二電容繼續(xù)向外輸出電流；第三階段，第一電容放電，對第二電容進行充電，并且向輸出負載提供電流；第四階段，第一電容處于浮置狀態(tài)，第二電容向外輸出電流，電荷泵完成一個周期的充放電過程。
[0009]進一步地，所述反饋控制電路至少包括OSC震蕩器、電壓比較器以及脈沖寬度調(diào)制器，其中所述電壓比較器用于檢測電容兩極板的電壓和輸出電壓的大小，根據(jù)檢測結(jié)構(gòu)生成脈沖寬度調(diào)制信號，控制所述的開關(guān)管的導通與截止。
[0010]本實用新型有益效果:
[0011]本實用新型實現(xiàn)了一種能夠用于步進電機的電荷泵升壓電路，該電荷泵電路的輸出電壓跟隨輸入電壓線性變化，可以作為步進電機的高壓DMOS管的驅(qū)動電路，具有較高的轉(zhuǎn)換效率和比較簡單的結(jié)構(gòu)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1現(xiàn)有技術(shù)中的帶有穩(wěn)壓裝置的電荷泵電路的示意圖；
[0013]圖2是步進電機驅(qū)動芯片H橋驅(qū)動電壓與電源電壓關(guān)系；
[0014]圖3是本實用新型用于步進電機的電荷栗驅(qū)動電路系統(tǒng)的電路不意圖；
[0015]圖4是本實用新型用于步進電機的電荷泵驅(qū)動電路系統(tǒng)輸出電壓VCP檢測電路示意圖；
[0016]圖5是本實用新型用于步進電機的電荷泵驅(qū)動電路系統(tǒng)第一電容左極板電壓CPl檢測電路意圖；
[0017]圖6是本實用新型用于步進電機的電荷栗驅(qū)動電路系統(tǒng)驅(qū)動器2電路圖；
[0018]圖7是本實用新型用于步進電機的電荷泵驅(qū)動電路系統(tǒng)電荷泵工作時鐘信號與脈沖信號電路圖。

【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合說明書附圖對本實用新型做進一步的描述。
[0020]如圖3所示，本實施例用于步進電機的電荷泵驅(qū)動電路系統(tǒng)，升壓電荷泵電路具有電荷泵轉(zhuǎn)換電路和反饋控制電路。反饋控制電路控制PMOS開關(guān)管和NMOS開關(guān)管的導通與關(guān)斷，使得所述電荷泵電路分別工作于第一階段、第二階段、第三階段和第四階段，在不同的階段完成對泵電容的充電與放電，對輸出電容的充電，從而完成電荷泵所需要的升壓功能。在雙反饋控制電路的作用下，電荷泵電路將輸入電壓Vin升壓為步進電機驅(qū)動芯片所需要的跟隨輸入電壓線性變化的電壓Vout。
[0021]本實施例，所描述的升壓電荷泵電路，其具有輸出端、電荷泵轉(zhuǎn)換電路以及反饋控制電路。該輸出端口分別接第二電容Cout和輸出負載，第二電容向負載提供輸出電流。該電荷泵轉(zhuǎn)換電路具有第一電容Cpump、第二電容Cout、一對NMOS開關(guān)電路和PMOS開關(guān)電路。第二電容Cout耦合于該輸出端與地面參考電位之間。反饋控制電路控制NMOS開關(guān)電路和PMOS開關(guān)電路的導通與關(guān)斷，使電荷泵轉(zhuǎn)換電路分別工作于第一階段、第二階段、第三階段以及第四階段。在第一階段中，麗I導通，麗2截止，MPl截止，MP2導通，第一電容Cpump稱合于地信號與輸入電壓之間,第二電容Cout稱合于輸出負載和地之間；在該第二階段中，麗I截止，麗2截止，MPl截止，MP2導通，第一電容Cpump左極板懸空，右極板接電源，第二電容Cout耦合于輸出負載和地之間；在第三階段，麗I截止，麗2導通，MPl導通，MP2截止,第一電容Cpump I禹合于輸入電壓與輸出端之間，第二電容I禹合于輸出端與地之間；在第四階段中，麗I截止，麗2截止，MPl截止，MP2截止，第一電容Cpump的左極板與右極板皆處于浮置狀態(tài)，第二電容Cout稱合于輸出端與地之間。電荷泵工作于第一階段時，第一電容Cpump完成充電,第二電容不斷向外輸出電流；電荷泵工作于第二階段時，第一電容Cpump既不充電也不放電，第二電容Cout繼續(xù)向外輸出電流；電荷泵工作于第三階段時，第一電容Cpump放電,對第二電容Cout進行充電,并且向輸出負載提供電流；電荷泵工作于第四階段時，第一電容Cpump處于浮置狀態(tài)，第二電容向外輸出電流，電荷泵完成一個周期的充放電過程。電荷泵通過不斷地充電與放電重復，來維持輸出電壓VCP的穩(wěn)定。
[0022]如圖4所示，是本實施例的輸出電壓VCP檢測電路。區(qū)別于以往的輸出電壓檢測電路，本實用新型的輸出檢測電路檢測之重點在于輸出電壓與電源電壓之壓差VCP-VBB。并且VCP電壓變化范圍大，普通MOS管無法在高壓環(huán)境下使用，故不可以用于VCP檢測。本電路引入高壓PNP管，其集電極與發(fā)射極之間耐壓可達到60V，將檢測電壓VCP接高壓PNP管發(fā)射極，電源電壓VBB接高壓PNP管基極，同時引入補償電流VBE/R，則
Γ ? T/ f VCP-VBB-Vbe t, , ? n VCP-VBB n
[0023]F01 = — ~1 ~.τ^ Vbe / R1 X R2 = ? ~ x 及2
V-^iJK1
[0024]合理設置Rl與R2的大小，即完成了對VCP閾值檢測電壓的設定:VCPTH =
VBB+VrefR/Ry
[0025]設置Vref電壓、Rl以及R2大小，即可靈活設置VCP的閾值電壓，且VCP檢測閾值電壓跟隨VBB線性變化。
[0026]如圖5所示，本實施例的第一電容左極板電壓CPl檢測電路。與VCP檢測電路類似，本檢測電路也引入了補償電流VBE/R1，則由圖4
Γ ? T, f VBB-Vcp1-Vbe Vbe \ n VBB-Vcn n
[0027]F01 = -—~^ + ~X Ri=--R,
L R1+ R2 H1 + H2) 3 R1+R2 3
[0028]在獲得VOl與(VBB-VCPl)的線性關(guān)系的同時，亦可得到公式公式

Vref (R.+R1)
[0029]Vcnm 二 VBB U」1 丄

R3
[0030]根據(jù)公式可方便的設置第二電容左極板的充電閾值電壓。
[0031]圖6所示是本實用新型的驅(qū)動器2電路圖。圖6中Rl = M*R2，麗I和Ml的寬長比比例為N，電路設計中電阻R2阻值很小，R2*Ir2 << Vth，則流過麗I電流大小即為
[0032]lout = IrefX (M-1) X (N+1)
[0033]合理設置Iref電流大小，電阻R2和Rl比例以及麗I管Ml管寬長比比例，即可得到理想的放電電流，配合CPl電壓檢測模塊，可以較好的設置第一電容Cpump充電電壓大小。
[0034]下面根據(jù)本實用新型電荷泵的信號波形圖6詳細說明本實用新型中電荷泵的工作過程。
[0035]當電荷泵電路上電之后，振蕩器OSC不斷輸出占空比為50%的方波信號至脈沖信號調(diào)制單元，即為圖7所示的時鐘信號CLK。在圖6所示的信號波形中，VCP_DET為輸出電壓檢測模塊的檢測結(jié)果，當檢測結(jié)果為低電平時候，表示輸出結(jié)果低于預設電壓輸出值。當檢測結(jié)果為高電平時，說明輸出電平高于預設輸出值。CP1_DET為第一電容左極板電壓檢測結(jié)果，當檢測結(jié)果為低電平時，說明左極板電壓CPl高于設定值，當檢測結(jié)果為高電平時，說明左極板CPl低于設定值。PHASEA、PHASEB和PHASEC分別為驅(qū)動器I和4、驅(qū)動器3以及驅(qū)動器2的輸入信號。信號為零時則關(guān)閉開關(guān)管，信號為I時則打開開關(guān)管。通過開關(guān)管的不斷打開與關(guān)閉，第二電容Cout不斷地充電與放電，從而保持了輸出電壓的平穩(wěn)，達到理想的輸出電壓效果值。
[0036]在時間tO階段，電荷泵工作于第一階段，時鐘信號為低電平，驅(qū)動器I關(guān)閉第一PMOS管MPl，驅(qū)動器2打開第一 NMOS管MNl，驅(qū)動器3打開第二 PMOS管MP2，驅(qū)動器4關(guān)閉第二 NMOS管MN2 ο第一電容Cpump左極板接地,右極板接電源,第一電容Cpump左極板電壓不斷降低，右極板電壓不變，完成充電過程，直至兩極板壓差達到指定閾值(CPI <CP1TH)，電荷泵電路進入第二階段(時間tl段)。第二電容Cout向外輸出電流，輸出電壓VCP不斷降低。
[0037]在時間tl階段，電荷泵工作與第二階段，時鐘信號為低電平，驅(qū)動器I關(guān)閉第一PMOS管MPl，驅(qū)動器2關(guān)閉第一 NMOS管MNl，驅(qū)動器3打開第二 PMOS管MP2，驅(qū)動器4關(guān)閉第二 NMOS管麗2。第一電容Cpump左極板懸空，電壓大小不變，右極板接電源。第二電容Cout繼續(xù)向外輸出電流，輸出電壓VCP不斷降低，直至時鐘信號高電平到來，電荷泵進入第三階段(時間t2段)。
[0038]在時間t2階段，電荷泵工作于第三階段，時鐘信號為高電平，驅(qū)動器I打開第一PMOS管MP1，驅(qū)動器2關(guān)閉第一 NMOS管麗1，驅(qū)動器3關(guān)閉第二 PMOS管MP2，驅(qū)動器4打開第二 NMOS管麗2。第一電容Cpump左極板電壓迅速上升為VBB，右極板電壓也跟隨上升為2VBB-CPlth，右極板電壓高于VCP，第一電容Cpump對外放電，向外輸出電流，并對第二電容Cout進行充電，伴隨著第二電容Cout不斷充電，輸出電壓不斷上升，直至輸出電壓高于閾值電壓VCPth，電荷泵進入第四階段(時間t3段)。
[0039]在時間t3階段，電荷泵工作于第四階段，時鐘信號為高電平，驅(qū)動器I關(guān)閉第一PMOS管MPl，驅(qū)動器2關(guān)閉第一 NMOS管麗I，驅(qū)動器3關(guān)閉第二 PMOS管MP2，驅(qū)動器4關(guān)閉第二 NMOS管麗2。第一電容Cpump處于懸浮狀態(tài),第二電容Cout向外放電,輸出電壓大小不斷降低，直至時鐘信號再次跳變?yōu)榈碗娖剑姾杀迷俅芜M入第一階段，重復to時間段。
[0040]以上詳細描述了本實用新型的一個具有輸出電壓跟隨輸出電壓線性變化、輸出電壓紋波小、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點的具體實施例。
[0041]對本實用新型應當理解的是，以上所述的實施例，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細的說明，以上僅為本實用新型的實施例而已，并不用于限定本實用新型，凡是在本實用新型的精神原則之內(nèi)，所作出的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)，本實用新型的保護范圍應該以權(quán)利要求所界定的保護范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種用于步進電機的電荷泵驅(qū)動電路系統(tǒng)，其特征在于:至少包括電荷泵轉(zhuǎn)換電路和反饋控制電路，其中所述電荷泵轉(zhuǎn)換電路至少包括由一對PMOS開關(guān)管和一對NMOS開關(guān)管以及第一電容構(gòu)成的H橋拓撲結(jié)構(gòu)、耦合于地面電位和輸出端之間的第二電容，其中所述的一對PMOS開關(guān)管和一對NMOS開關(guān)管分別各自連接第一驅(qū)動器、第二驅(qū)動器、第三驅(qū)動器和第四驅(qū)動器； 所述反饋控制電路，生成脈沖寬度信號，控制所述的PMOS開關(guān)管和NMOS開關(guān)管的導通與關(guān)斷，基于所述PMOS開關(guān)管和所述NMOS開關(guān)管的導通與關(guān)斷控制所述電荷泵轉(zhuǎn)換電路分別處于第一階段、第二階段、第三階段和第四階段，其中，第一階段，第一電容完成充電，第二電容不斷向外輸出電流；第二階段，第一電容既不充電也不放電，第二電容繼續(xù)向外輸出電流；第三階段，第一電容放電，對第二電容進行充電，并且向輸出負載提供電流；第四階段，第一電容處于浮置狀態(tài)，第二電容向外輸出電流，電荷泵完成一個周期的充放電過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于步進電機的電荷泵驅(qū)動電路系統(tǒng)，其特征在于:所述反饋控制電路至少包括OSC震蕩器、電壓比較器以及脈沖寬度調(diào)制器，其中所述電壓比較器用于檢測電容兩極板的電壓和輸出電壓的大小，根據(jù)檢測結(jié)構(gòu)生成脈沖寬度調(diào)制信號，控制所述的開關(guān)管的導通與截止。
【文檔編號】H02P8/00GK203942443SQ201420363989
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月28日
【發(fā)明者】殷明 申請人:嘉興禾潤電子科技有限公司