本文論述了基于霍耳效應(yīng)傳感芯片的電路設(shè)計(jì)，并以0.5μm, 雙層金屬，65V高壓CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。電路實(shí)現(xiàn)了包括磁滯，防相位鎖死與自動重啟動等功能，采用脈沖寬度調(diào)制控制方式，并注意了功率輸出管的電壓鉗位，以及減少尖峰電流的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：霍耳效應(yīng)；電機(jī)控制；自動重啟；脈沖寬度調(diào)制
1879年，霍耳發(fā)現(xiàn)：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(shí)，帶電離子會受到y(tǒng)方向的磁力影響而產(chǎn)生電勢積累，這就是霍耳效應(yīng)。其中產(chǎn)生的電勢差稱為霍耳電壓。由于變化的磁場會產(chǎn)生變化的電場，那么，利用霍耳效應(yīng)做磁場監(jiān)測是可行的，事實(shí)上也是目前普遍采取的方法。基于霍耳效應(yīng)的傳感-控制芯片廣泛應(yīng)用在電機(jī)控制、手機(jī)、電動車、電流及磁場測量等領(lǐng)域。
實(shí)際應(yīng)用中，例如常用于PC散熱等用途的直流無刷電機(jī)，由于外部障礙物等因素，可能異常停止運(yùn)轉(zhuǎn)。那么，電機(jī)控制芯片需要通過霍耳傳感器對磁場相位監(jiān)測，判別異常停轉(zhuǎn)情況，及時(shí)關(guān)閉電機(jī)并延時(shí)重啟，以便電機(jī)能夠恢復(fù)正常工作。
圖1給出了本設(shè)計(jì)中霍耳效應(yīng)電機(jī)控制芯片的設(shè)計(jì)框圖，由霍耳感應(yīng)單元得到與磁場變換相關(guān)的電壓信號，經(jīng)放大器放大及磁滯比較器判別，控制邏輯監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，做出關(guān)斷或延時(shí)自啟動等功能，功率輸出管驅(qū)動外部電機(jī)工作。
圖1 霍耳效應(yīng)芯片的系統(tǒng)框圖
通常，電機(jī)需要在較寬的電壓范圍工作。在本設(shè)計(jì)中，目標(biāo)要求芯片能夠工作在3.3V~28V的電壓范圍，并且當(dāng)電機(jī)控制電壓高于54.7V時(shí)，將輸出電壓鉗位防止燒毀電機(jī)。
芯片工作電壓由其內(nèi)部電壓源產(chǎn)生，而常見的帶隙基準(zhǔn)很難在這樣寬的電壓范圍內(nèi)正常的工作。因此，設(shè)計(jì)中采用三極管時(shí)代流行的齊納二極管鉗位方法產(chǎn)生電壓源，如圖2所示。這種電壓源可以在很寬的電壓范圍工作，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(diǎn)。所幸在電機(jī)應(yīng)用中，這些缺點(diǎn)是次要的。
當(dāng)電壓VIN高于齊納管的反向擊穿電壓（一般約為6~7V，這里取6.5V）后，Vz電壓被鉗制在6.5V，R1起到限流的作用。而VIN低于6.5V而高于一定值，M1也可以導(dǎo)通，使得VCC有電壓，同樣可使內(nèi)部電路工作。其中，M1,M2,M3皆為高壓器件。經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)，該電壓源可以在3V~65V之間工作。
圖2 內(nèi)部電壓源的產(chǎn)生
霍耳感應(yīng)單元常用的形狀和工藝材料等有多種，此設(shè)計(jì)使用正方形外形并基于無特殊摻雜的CMOS工藝。 在圖3左圖中，電流自+Vs流向地端，磁場垂直于該片面，則將在方形的另外兩頂點(diǎn)之間會形成霍耳電壓Vo1。而通過開關(guān)控制，在下一時(shí)刻，電流流向及霍耳電壓取向改為右圖所示，這樣也能夠消除硅片的壓電電阻（ΔR)效應(yīng)。這樣較其他設(shè)計(jì)中常見的采用2個(gè)或4個(gè)霍耳感應(yīng)單元消除壓電電阻效應(yīng)的方法更省面積，復(fù)雜度也有所減小。
圖3 霍耳感應(yīng)單元
感應(yīng)的霍耳電壓經(jīng)過放大器放大和磁滯比較器輸出相應(yīng)的數(shù)字信號。根據(jù)實(shí)際情況，在典型情況下可以將工作點(diǎn)設(shè)為30高斯，釋放點(diǎn)設(shè)為-30高斯，磁滯寬度為60高斯。
磁滯比較器的輸出信號交由芯片控制邏輯部分處理。為克服電機(jī)工作中的意外終止，本設(shè)計(jì)包含了防鎖死及自動重啟機(jī)制。該機(jī)制根據(jù)比較器輸出信號相位的改變進(jìn)行邊沿監(jiān)測、計(jì)數(shù)、重置等工作，與其他邏輯信號來判斷芯片的工作狀態(tài)。
圖4 防鎖死重啟電路及時(shí)序
防鎖死重啟電路及時(shí)序如圖4所示，CompA經(jīng)過延遲后與延遲之前信號進(jìn)行異或運(yùn)算，即可監(jiān)測出脈沖邊緣變化。若使用1MHz的時(shí)鐘信號，計(jì)數(shù)器持續(xù)計(jì)數(shù)到218=262,144μs時(shí)，電路進(jìn)入鎖死狀態(tài)。21位計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作直到溢出，其間時(shí)間差為221-218=1,835,008μs，約1.8秒后嘗試重啟，直到電機(jī)正常工作。
作為電機(jī)控制芯片，設(shè)計(jì)要求對輸出功率管的開關(guān)按照一定邏輯順序進(jìn)行，并且需要監(jiān)視防鎖死重啟電路的輸出，以及控制功率管的死區(qū)(dead zone)時(shí)間等。這些功能由芯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(jīng)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(jì)數(shù)器的輸出，Reset及其反信號是重啟動控制信號。當(dāng)正常工作時(shí)，開關(guān)SW1及SW3有效；當(dāng)系統(tǒng)需要重啟動時(shí)，開關(guān)SW2及SW4有效。由En信號控制開關(guān)組選擇芯片處于正常狀態(tài)或是重啟動狀態(tài)，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(qū)動及保護(hù)電路如圖6所示，芯片片內(nèi)部分由驅(qū)動電路、輸出功率管、電壓鉗位二極管構(gòu)成。由于輸出功率管尺寸較大，需要驅(qū)動電路使其正常工作。其驅(qū)動電路通常有串接的反向器串組成，且尺寸逐級增大。當(dāng)VIN過高時(shí)，可能燒毀輸出功率管或電機(jī)，這里電壓鉗位二極管串將Vout鉗制在****允許電壓。若要求****電壓為54.7V, 齊納二極管正向和反向?qū)妷悍謩e為0.7V和6.5V, 那么以3個(gè)正向和8個(gè)反向齊納二極管串接，則鉗位電壓約在3×0.7＋8×6.5＋0.6＝54.7V。這里，上拉電阻使輸出控制 |
