一種用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電荷泵設(shè)計(jì)*

宋嘉欣，辛?xí)詫帲?建，梁博文

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

1 引言

步進(jìn)電機(jī)能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的角位移或線位移[1]，通常應(yīng)用于3D打印機(jī)、植毛機(jī)工作臺(tái)（毛孔定位）、醫(yī)療儀器及設(shè)備、精密儀器、工業(yè)控制系統(tǒng)、機(jī)器人等對(duì)定位有較高要求的領(lǐng)域[2-4]。近年來(lái)也常應(yīng)用于光通信中的光纖延遲線，用來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)的相位和時(shí)延[5-6]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片通常使用驅(qū)動(dòng)電路對(duì)H橋進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而使電機(jī)線圈繞組中有電流流過(guò)。H橋電路是由4個(gè)大功率N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的。當(dāng)H橋中的高端功率管導(dǎo)通時(shí)，源端電壓與漏端電壓接近，其大小約為系統(tǒng)功率電源電壓，此時(shí)為了使功率管能夠充分導(dǎo)通，需要產(chǎn)生一個(gè)高于系統(tǒng)功率電源的電壓接入功率管的柵極，對(duì)H橋電路中的高端功率管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為產(chǎn)生這個(gè)高壓，就需要應(yīng)用電荷泵電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電路需求?？紤]到工藝中功率管的耐壓能力問(wèn)題，接入H橋高端功率管柵端的電壓不能無(wú)限上升，為提高電路的可靠性，還要對(duì)電荷泵輸出進(jìn)行監(jiān)視，使之達(dá)到設(shè)定的數(shù)值后，電荷泵就停止工作。在電荷泵放電過(guò)程中，由于外界抽取電荷會(huì)使得電荷泵輸出電壓降低，當(dāng)?shù)陀诒O(jiān)視電壓的時(shí)候，電荷泵恢復(fù)工作，對(duì)電荷進(jìn)行補(bǔ)充。

2 電荷泵電路基本原理

電荷泵電路以電容為儲(chǔ)能元件，應(yīng)用電容電荷積累效應(yīng)[7]，通過(guò)開關(guān)將電荷“泵”向輸出級(jí)[8]，從而在芯片內(nèi)產(chǎn)生高于正常供電電壓（VCC）或低于地電壓（GND）的電壓[9-11]。大多數(shù)電荷泵電路都是基于Dickson電荷泵[12]，采用二極管作為開關(guān)器件[13-14]?；镜碾姾杀秒娐啡鐖D1所示。其中VCC是電源，Vin是方波時(shí)鐘信號(hào)，Vo是電荷泵輸出。為便于分析，忽略在二極管上產(chǎn)生的壓降，當(dāng)Vin方波時(shí)鐘信號(hào)輸入為低電平0時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，構(gòu)成VCC-D1（T1）-C1-Vin通路，T1點(diǎn)的電壓VT1與VCC相同；當(dāng)Vin上跳為高電平Vh時(shí)，即C1左極板電壓上跳為Vh，由于電容兩端電壓不會(huì)突變，相應(yīng)的就有右極板也要在VCC的基礎(chǔ)上上跳Vh，即VT1隨之變?yōu)閂CC+Vh。此時(shí)D1反向截止，D2正向?qū)?，形成Vin-C1（T1）-D2（Vo）-C2-GND回路，C1通過(guò)D2向C2注入電荷，最終Vo介于VCC與VCC+Vh之間。

圖1 基本電荷泵電路

常規(guī)的H橋電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片中的H橋全部由NMOS管構(gòu)成，在高端功率管M1、M2導(dǎo)通后，其源端電壓與漏端電壓接近，約為功率電源VM。為使高端NMOS管導(dǎo)通，其柵極電壓需要高于VM+VTH，所以需要采用電荷泵電路對(duì)功率電源VM進(jìn)行升壓。為保證高端NMOS管能夠充分導(dǎo)通，同時(shí)M1、M2管的柵電壓不超過(guò)MOS管的耐壓能力，所以不能直接采用圖1所示的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，而是需要設(shè)計(jì)一種既能升壓又能控制并且具備監(jiān)視電壓功能的電荷泵電路。

圖2 H橋電路原理圖

3 版圖設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用華潤(rùn)上華0.18μm BCD工藝。通過(guò)選用帶有保護(hù)環(huán)的器件完成隔離，同時(shí)，在版圖繪制過(guò)程中，使PMOS管遠(yuǎn)離NMOS管，以減小閂鎖效應(yīng)對(duì)電路的影響。為消除天線效應(yīng)，采用了“跳線”的方式來(lái)釋放電荷[15]。為了減小器件的失配問(wèn)題，在繪制版圖過(guò)程中對(duì)電流鏡、比較器的差分輸入管等器件進(jìn)行了叉指匹配設(shè)計(jì)。電荷泵版圖設(shè)計(jì)如圖3所示。版圖面積最終為660.71μm×312.42μm。

圖3 電荷泵設(shè)計(jì)版圖

4 電荷泵結(jié)構(gòu)及功能分析

4.1 整體架構(gòu)

電荷泵整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由電荷泵主體電路HVCP、監(jiān)視電路HVDT2以及邏輯門構(gòu)成。其中邏輯門采用低壓器件設(shè)計(jì)，其余模塊均使用耐高壓器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。高耐壓MOS管的源漏之間可承受高壓，但其中的NMOS管、PMOS管的源柵之間皆只有5V的耐壓能力。

圖4 電荷泵整體電路

圖中，C1、C2為片外電容。CLK信號(hào)來(lái)自片內(nèi)振蕩器產(chǎn)生的5V方波時(shí)鐘信號(hào)。EN使能信號(hào)用于控制電荷泵的啟動(dòng)和關(guān)閉，EN為1時(shí)，啟動(dòng)電荷泵，EN為0時(shí)，沒(méi)有信號(hào)進(jìn)入電荷泵。VM是系統(tǒng)功率電源（35～40V）。VCP是電荷泵的輸出引腳；CPH和CPL是用于連接片外電容的輔助引腳。VDD5V為片內(nèi)LDO產(chǎn)生的5V電源電壓。

VCPOK為判斷信號(hào)，當(dāng)其輸出為高電平時(shí)，表示VCP已高于VM+3V，VCP已可驅(qū)動(dòng)H橋中高端NMOS管，但每次開啟高端NMOS管后，會(huì)造成一定的電荷損失，導(dǎo)致VCP電壓降低。為避免影響對(duì)H橋的控制，VCP還要升到更高的電壓?？紤]到NMOS管的柵源（漏）耐壓?jiǎn)栴}，VCP最高升到VM+5V，當(dāng)VCPOK_5為1時(shí)表示VCP已達(dá)到VM+5V，電荷泵主體電路不再工作。

4.2 主體電路架構(gòu)及分析

所設(shè)計(jì)電荷泵主體電路HVCP模塊如圖5所示。為便于分析，將整體電路中的電容繪制在原理圖虛線框內(nèi)，與普通管作出區(qū)分；高耐壓管用帶點(diǎn)的MOS管表示。

圖5 HVCP模塊原理圖

圖中，CLK端輸入的是0～5V方波時(shí)鐘信號(hào)；M16、M4交替導(dǎo)通，使得CPL端可輸出0～VM的方波信號(hào)。當(dāng)M4導(dǎo)通時(shí)，M16截止，CPL為低電平，VM通過(guò)二極管D1向電容C1注入電荷，C1上下極板壓差為VM；當(dāng)M4截止時(shí)，M16導(dǎo)通，CPL為高電平，由于電容電壓不能突變，C1上極板電壓隨著下極板電壓跳高而跳高，使得C1上極板電壓CPH高于VM，此時(shí)D1截止，C1中存儲(chǔ)的電荷經(jīng)D2向C2注入，電荷泵輸出電壓經(jīng)VCP引腳輸出。M11、M12為交叉耦合正反饋結(jié)構(gòu)，可使M16管迅速導(dǎo)通或截止；C3、C4用于加速M(fèi)11、M12、M16的狀態(tài)變化。

由于所用工藝中的高耐壓PMOS管源柵耐壓只有5V，故使用二極管連接方式的M8-M10、M13-M15管，對(duì)M12、M11、M16管進(jìn)行保護(hù)，使得源柵壓差被限制在3個(gè)VTHP（約為3V），以此提高可靠性。

對(duì)于C1、C2，在整個(gè)充電過(guò)程當(dāng)中，ΔQ1=ΔU1×C1、ΔQ2=ΔU2×C2，且ΔQ1=ΔQ2，由此可得：

C1上的電壓變化量ΔU1即為VM，在設(shè)計(jì)中最大為40V，考慮到耐壓?jiǎn)栴}，VCP與VM的差值ΔU2最大為5V，則有C2=8C1。在實(shí)際電路中存在一定的電荷損耗，C2要大于8倍C1。綜合考慮，設(shè)計(jì)選用的片外電容C1為22nF，C2為220nF。

4.3 監(jiān)視電路

HVDT2為電荷泵電壓監(jiān)視電路，原理圖如圖6所示。此部分電路主要由兩個(gè)電壓比較器構(gòu)成，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何提供參考電壓,以及如何進(jìn)行VCP與VM差值的比較。

圖6 HVDT2模塊原理圖

由于VM的工作電壓范圍為35～40V，VCP也并非固定值，而是在VM的基礎(chǔ)上增加某個(gè)電壓值，因此參考電壓只能采用基準(zhǔn)電流與電阻的乘積來(lái)產(chǎn)生，即：VCPI=VCP-IB1R1、VR1=VM-IB2R2、VR2=VM-IB3R3，兩個(gè)電壓比較器的輸入電壓之差則分別為：

在此若有：IB1R1-IB2R2=5V、IB1R1-IB3R3=3V，則當(dāng)VCP-VM大于5V時(shí)，圖6中的VO經(jīng)兩級(jí)反相器整形后，可在VCPOK_5端得到高電平（5V邏輯）。同理，當(dāng)VCP-VM大于3V時(shí)，可在VCPOK端輸出高電平。

由于VM最高為40V，選用40 V耐壓能力的MOS管即可保證漏源之間不超耐壓，此時(shí)需要考慮的是柵源耐壓?jiǎn)栴}。當(dāng)電路正常工作時(shí)，M1、M2、M6、M7管源端電壓約為VM，為保證源柵之間不超耐壓（5V），R1、R2、R3電阻上產(chǎn)生的壓降應(yīng)保證在5V之內(nèi)。在充分考慮電路功耗及版圖面積之后，通過(guò)合理選擇IB和R1、R2、R3可以使VCP1、VR1和VR2處于VM～5V到VM之間，以保證M1、M2和M6、M7的源柵壓差在5V以內(nèi)。圖6中的M12～M15選用的是可承受40V電壓的高耐壓NMOS管，由于柵極都接5V，所以源極以下不會(huì)超過(guò)5V，故圖6中的M16、M17、M20、M21皆采用5V耐壓管。

5 電荷泵整體仿真

本設(shè)計(jì)在Cadence上進(jìn)行，并應(yīng)用HSPICE完成仿真。在功率電源VM為40V、CLK時(shí)鐘信號(hào)頻率為100kHz時(shí)，電荷泵整體仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 電荷泵電路仿真結(jié)果

使能信號(hào)EN置1，經(jīng)208μs后電荷泵輸出VCP上升至43V，此時(shí)電荷泵已能夠驅(qū)動(dòng)H橋高端功率管充分導(dǎo)通，VCPOK輸出高電平；再經(jīng)121μs后，VCP上升至45V，VCPOK_5輸出高電平，電荷泵不再升壓。

圖8為電荷泵在25°C，不同工藝角下，在功率電源VM為40V、CLK時(shí)鐘信號(hào)頻率為100kHz時(shí)的仿真結(jié)果。其中VCP最高為45.7V，最低為44.6V。

電荷泵輸出電壓紋波是該類電路的重要參數(shù)之一，在負(fù)載電流3mA條件下，模擬出輸出電壓VCP及紋波的大小，如表1所示。

由仿真結(jié)果可見，在時(shí)鐘頻率為100kHz、不同功率電源電壓和3mA負(fù)載電流條件下，電荷泵輸出電壓紋波始終在81mV以內(nèi)，效果較為理想。

圖8 各工藝角下的仿真結(jié)果

表1 不同電源電壓下電荷泵輸出模擬結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)針對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片中的高可靠性電荷泵電路，在經(jīng)典Dickson電荷泵電路的基礎(chǔ)之上，引入交叉耦合的正反饋結(jié)構(gòu)，提高了電荷泵的轉(zhuǎn)換速率，并可利用數(shù)字信號(hào)控制回路來(lái)控制電荷泵的工作狀態(tài)。在功率電源VM為35～40V時(shí)，輸出電壓范圍可達(dá)38～45V，同時(shí)在整個(gè)功率電源工作區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了輸出電壓與系統(tǒng)率電源之間的恒定的3～5V壓差，確保了對(duì)于功率電源范圍內(nèi)的任一值，恒有理想的電壓關(guān)系成立。對(duì)高耐壓管柵源所做的保護(hù)設(shè)計(jì)，也使設(shè)計(jì)具有高可靠性。該設(shè)計(jì)在仿真中展現(xiàn)出優(yōu)秀性能，滿足H橋驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。