【硕士论文】H桥功率驱动电路的设计研究.pdf

电子科技大学 硕士学位论文 h桥功率驱动电路的设计研究 姓名：袁涛 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：罗萍 20051209 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 签名：塞些日期：弘眵年2 月；日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔碴导师签名：逻益 日期：弘西年位月5f 日 。 电子科技大学硕士学位论文 转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。按照使用动力源的不同，运 动控制可分为气动、液动和电动三大类。电气运动控制更容易实现与微型计算机 的接口，以及具有其他明显的优点，因而在中小功率的运动控制系统中，大多采 用电气控制。电气运动控制体现了控制电机技术、传感器技术、电力电子技术、 微电子技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。由于微处理器和传 感器的作用，赋予系统以智能，故又称电气运动控制为智能运动控制( h t e l l i g e n t m o t i o nc o r l 仃0 1 ) 。 电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它 们是密切相关、相互促进的。近3 0 年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变 着电机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态 的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中， 主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅，最新产品是内部具有保 护电路的a c 开关。5 0 年代末期出现的晶闸管器件，取代了原先的电动机一发电 机组、交磁电机扩大机、磁放大器、电子管放大器。在这以后，这种半控型功率 器件一直主宰着电机控制市场。到7 0 和8 0 年代才先后出现了全控型功率器件g t o 晶闸管、g t r 、p o w e r m o s f e t 、i g b t 和m c t 等。利用这种有自关断能力的 器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了 效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。谐 波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或p w m 变流器所代替，明显地 扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。 从8 0 年代初开始，各国半导体厂商不断开发各种功率集成电路，并已在许多 领域得到越来越广泛的应用。功率集成电路是电力电子技术和微电子集成技术的 结合。它将半导体功率器件与驱动、逻辑、控制、检测、自诊断、保护电路集成 在同一个芯片上或一个混合模块里，从而使功率器件注入了智能，故又称为智能 功率集成电路( s m a i tp o w e ri c ) 【4 】 5 】【6 】。 智能功率集成电路实现了集成电路功率化，功率器件集成化和智能化，使功 率与信息控制统一在一个芯片内，成为机电一体化系统中弱电与强电的接口。它 不但提供定功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断 等功能，通过智能作用对功率器件状态进行监控。例如，负载开路、过电流、输 出短路、电源短路、电源欠电压、过电压、过热等不正常故障出现，电路即做出 保护，并输出故障诊断信号。大多数功率集成电路的输入都是订l 或c m o s 电平 兼容，可以直接由微处理器控制，状态信息也可反馈至微处理器。 第一章引言 智能功率集成电路可分为模拟型和开关型两大类。模拟型以功率运算放大器 集成电路为代表。开关型包括单开关的智能功率开关、半桥功率开关、h 桥功率 开关和三相逆交桥功率开关等。 本课题设计的低压大电流h 桥功率驱动器是一种典型的智能功率集成电路 ( s p i c ) 。它不仅集成了d m o s 功率器件与b i c m o s 控制电路，而且也集成自动 检测及保护电路，使其具有短路、过热、过流、欠压等保护功能及自我诊断功能， 具有体积小、重量轻、效率高、可靠性高、成本低等优点。广泛应用于直流电机 和步进马达驱动、位置与速度伺服系统、工业机器人、各种数控设备、打印机和 绘图仪等军民两用领域。 1 2 国内外发展动态 近几年来国际著名的半导体集成电路厂商开发了大量的集成h 桥功率驱动集 成电路，在电机控制驱动器中占有举足轻重的地位，例如：摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 新推出的电机控制芯片m p c i 7 5 0 0 系列，分别带有单、双和四个h b r i d g e 控制器， 当与一颗m c u 结合使用时，这些芯片是控制单个、两个和四个电机的理想选择。 英飞凌公司( i n f i n e o nt e c h n o l o g i e s ) 推出的t l e 7 2 0 9 r 是完全的h b d d g e 结构， 专门用于安全性要求很高和极其恶劣环境下，控制直流电机而设计的。意法半导 体( s t m i c r o e l e c 仃o n i c ) 研制的l 6 2 x x 系列全h 桥功率驱动芯片，电源电压4 8 v ， 峰值电流5 a 。a 1 l e g r o 微系统公司的最新产品a 3 9 4 8 ，该产品带有p w m 电流控制、 d m o s 的h 桥低导通电阻输出，在5 0 v 的电压下可提供士1 5 a 的电流。美国国家 半导体公司( n a t i o n a ls e m j c o n d u c t o r ) 研制的l m d l 8 2 0 0 1 7 j ，专用于马达控制的h 桥芯片，采用了先进的b c d 工艺( 同一芯片上集成有双极、c m 0 s 控制电路和 d m o s 功率器件) ，峰值输出电流高达6 a ，连续输出电流达3 a ，工作电压高达 5 5 v ，还具有温度报警和过热与短路保护功能。国际整流器公司( i n t e m a t i o n a j r e c t i f i e r ) 推出的全保护h 桥功率驱动器i r 3 2 2 0 。但是，到目前为止，国内还无 此类定型产品。 电机驱动控制市场近年来直保持强劲增长势头，但也面临着更多的新挑战。 据m o t i o nt e c ht r e n d s 统计显示，尽管全球每年生产7 0 多亿台电机，但其中仅有 约2 0 采用了电子控制。2 0 世纪后期的电子技术( 包括大规模集成电路技术、电 力电子技术和计算机技术) 的飞速发展以及现代电机控制理论的完善，仿真工业 的日渐成熟，极大地推动了作为机电能量转换的基本单元电动机控制技术的发展， 电子科技大学硕士学位论文 这种发展对各行各业的影响是巨大的。如今，电子技术、计算机技术和电机控制 技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。 随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、 噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时 还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。微 控制器与m o s 栅极晶体管的集成是今后发展的一个主要方向，对于驱动设备制造 商而言，是否使用半导体技术具有重大意义；对于芯片制造商而言，在可以使用 双极晶体管作为功率开关的情况下，只是建议用某一种m o s f e t 或i g b t 是远远 不够的，对于一项设计，芯片供应商应当向驱动设备设计人员提供各种技术供选 择，包括智能功率集成电路，同时，能够向使用芯片的人员建议优化的方案。 进入2 1 世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代 电力电子元件还会不断地改进提高。 s p i c 总的技术发展趋势是功率更大、速度更快和功能更全哺j 。目前s p i c 的主 要研究内容为：针对包括多个大功率器件的单片s p i c 的研究；能在高温下长时间 工作的s p i e 的研究，以便将其直接嵌入设备内；高成品率、低成本s p i c 工艺的 研究；大电流、高速、m 0 s 栅控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。s p i c 的下一个目标是将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上，使之 具备系统功能，进而实现单片式功率系统的集成。东芝公司已研制成功用于 a c 2 2 0 v 的5 5 0 v 1 a 三相逆变器i c ，其芯片面积仅2 6 删n 2 ，但高度智能化。该i c 由六个i g b t 和高速软恢复二极管( s f d ) 组成逆变电路，有高低端驱动电路、电 源电路、2 0 k h z 振荡器、p w m 控制电路、过流保护电路、过热关断电路和启动限 流电路。 s p i c 具有广阔的应用前景。在航空、航天、先进的通信系统、武器系统等方 面，由于工作在高频甚至微波频率下，以及要求整机具有极高的可靠性、稳定性 和尽可能小的体积，这时，s p i c 有着功率组件和功率模块无法替代的优势。在世 界范围内，1 9 9 2 年军用和航空航天领域使用的s p i c 市场价值4 ，2 0 0 万美元。1 9 9 6 年上升到7 ，6 0 0 万美元。s p i c 在舰船制造方面也具有广阔的应用前景，美国海军 正加速开展综合电力驱动系统( i d e ) 的研究。i d e 动力装置有便于灵活布置、不 受船体限制、噪声小、不易被探测等优点。新型功率器件和s p i c 是i d e 的基础。 预计今后几年s p i c 在军事领域的市场增长率将达到1 6 。s p i c 在军事上广泛应 用的同时，在汽车电子、计算机、工业自动控制、消费电子等民用领域中也得到 成功地应用，对解决能源匮乏、原材料资源紧张具有积极的作用。s p i c 的市场十 4 第一章引言 分看好，从1 9 9 2 年以来年平均增长率达到2 0 3 。值得注意的是，汽车工业对s p i c 的需求量正迅速增长，过去几年的年平均增长率达到3 2 5 。 电流控制振荡器( c 唧n t c o n 仃o l l e do s c i l l a t o r ) 用于信号产生和信号处理系统， 同时也广泛用于锁相环电路( p l l ) 和电荷泵( c h a 唱ep 啪p ) 电路。通过内部预 置电流对储能元件交替进行充放电，从而实现电流控制振荡器输出周期信号，并 通过改变预置电流大小以及储能元件参数，来进行对频率大小和占空比的控制。 在常规的电流控制振荡器中，为了控制充放电过程的转换，常都是采用电流比较 器来实现此功能，但电流比较器结构比较复杂。本课题所提出的电流控制振荡器， 电路结构更加简单，利用系统内部基准源产生的电流信号来对电容进行充放电， 经过控制电路作用后，使输出振荡波形更接近理想矩形波形，非常适合于a s i c 单 元电路的应用。 目前，高压h 桥驱动电路一般都采用了窄脉冲电平位移技术，并采用自举电 容的方式获得高端功率管驱动电压，以克服自身功耗大的缺点。但是，为了保持 自举电容两端的电压，必须周期性地对自举电容充电，即h 桥功率驱动电路必须 不断地工作在开关状态，否则，当一组桥臂长时间地导通时，自举电容会与高侧 驱动器之间形成一个泄放回路，最终导致高端驱动电路欠压，而不能驱动末级功 率器件，无法满足实际应用时一组桥臂可以长时间导通的要求。本文设计了一种 设计简便、容易集成，且可满足高压工作要求的电荷泵高端浮动自举功率管驱动 电路，可以工作在极低频，并且自身的开关速度不受影响，可广泛应用于浮动高 端供电的高压功率驱动电路。 1 3 本文的主要工作 本课题的目标为完成基于p w m 控制，应用于直流电机及步迸马达驱动的h 桥功率驱动器的电路设计、版图设计、验证、流片和封装测试。本文的重点是基 准源电路、振荡器电路、功率管栅驱动电路设计，其中振荡器电路、高端功率管 栅驱动电路是本文在设计上的创新点。 本文主要由以下几部分构成： 第一章：介绍h 桥功率驱动器的国内外发展概况及应用，论述了本文设计的 h 桥功率驱动集成电路的理论意义和实用价值，并对本文的章节进行安排。 第二章：给出h 桥功率驱动器的工作原理及总体电路设计，给出了各单元电 路的功能以及总体电路性能指标。 电子科技大学硕士学位论文 第三章：对本课题中的子电路模块进行分析，其中包括基准源电路、振荡器 电路、高端功率管栅驱动电路( 电荷泵及自举电路) 、低端功率管栅驱动电路和死 区时间产生电路等，对其工作原理及参数求解都作了较为详细的阐述，并给出了 仿真结果。 第四章；给出h 桥功率驱动器总体电路联合仿真和各项性能指标仿真。 第五章：给出电路的版图设计、验证、工艺流程以及流片后测试结果。 第六章：总结本文所做的工作。 6 第二章h 桥功率驱动器总体电路设计 第二章h 桥功率驱动器总体电路设计 本章首先从直流电机的工作原理和数学模型入手，确定控制直流电机转速实 际上是控制直流电机的电流；并且介绍了电机p w m 控制原理；然后给出h 桥功 率驱动器两种控制模式：s i 印a 1 肿a 鲥t u d e ( s ，m ) 控制和l o c k e da n 御l l a s e ( l a p ) 控 制，以及两种模式的工作原理：之后进行整体设计，依据需要完成的整体功能设 定所需的功能模块，以及各个模块之间的功能衔接；最后得到整体功能框图和设 计指标，确定设计的可行性。 2 1 直流电机的工作原理及数学模型 直流电动机1 9 】1 1d j ，多年来直用作基本的换能器。绝大多数的直流电动机都是 由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。图2 1 为直流电机的 物理模型图，其中，固定部分( 定子) 由磁铁( 称为主磁极) 和电刷组成：转动 部分( 转子) 由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定子与转子之间有一气 隙。在电枢铁心上放置了由a 和b 两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端 分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换 向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝 缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷b l 和b 2 ，当电枢旋转时，电枢线圈 通过换向器和电刷与外电路接通。 图2 - 1 直流电机的物理模型图 直流电动机的工作原理 9 】【10 】如图2 2 所示。给两个电刷加上直流电源，如图 2 2 ( a ) 所示，有直流电流从电刷a 流入，经过线圈a b c d ，从电刷b 流出，根据电 电子科技大学硕士学位论文 磁力定律，载流导体a b 和c d 收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段 导体受到的力形成了一个转矩，使得转予逆时针转动：如果转子转到国2 2 【b ) 所示 的位置，电刷a 和换向片2 接触，电刷b 和换向片l 接触，直流电流从电刷a 流 入，在线圈中的流动方向是d c b a ，从电刷b 流出。此时载流导体a b 和c d 受到电 磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使德转子逆时针转 动。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由 线圈边a b 和c d 流入，使线圈边只要处于n 极下，其中通过电流的方向总是由电 刷a 流入的方向，而在s 极下时，总是从电刷b 流出的方向，这就保证了每个磁 极下线圈边中韵电流始终是一个方向，这样的结构，就可使电动机连续旋转， ( a ) 导体a b 处于n 极下( b ) 导体a b 处于s 极下 图2 2 直流电机原理图 直流电动机的简单的数学模型可用图2 3 所示。电枢被模拟为一个线性电阻 凡与一个表示电枢绕组电感厶的线性电感元件相串联，而电压源髓表示电枢中产 生的感生电动势。 r m 丝l j 剐j l 1 尹 砖撑 毒 d ，j 图2 3 直流电机的数学模型 直流电机的一系列基本方程组主要由电机电动势平衡方程式、电机转距平衡 方程式和电机功率平衡方程式组成。 其中电机电动势平衡方程式为， 第二章h 桥功率驱动器总体电路设计 嗽) = 州吵乞掣+ e 。( 。 其中， 疋( f ) = k 锄( f ) 玩：感生电动势，瓦：与电机结构有关的常数， 电机电磁转矩与电枢电流成正比，即为， t g = k 7 由i 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 中：磁通，行( f ) ：角速度。 ( 2 3 ) k r 为与线圈结构有关的常数( 与线圈大小，磁极的对数等有关) 。 电机转距平衡方程式为， 瓦= 乏+ 瓦 ( 2 4 ) 死：负载转矩，而；空载转距。 其中转矩平衡过程为，当负载转矩( 死) 发生变化时，通过电机转速、电动势、 电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。 电机功率平衡方程式为， 嘞= 乞l = t 警= 丁q ( 2 - 5 ) 从上面一系列方程组可以看出，要想改变电机的转速，必须产生定的转矩， 由于电磁转矩与电枢电流成正比，故可通过控制流过电枢的电流来控制电机的转 速。因此驱动电机实际上就是控制流过电枢的电流。 2 2 电机p w m 控制电路原理 图2 4 ( a ) 给出了脉宽调制j ( p w m ) 产生原理框图。当输出电压和参考电压 之间存在输出误差时，该误差信号经过放大器放大后和三角波或锯齿波信号进行 比较，得到p w m 输出信号。图2 - 4 ( b ) 和( c ) 为采用锯齿波和三角波进行p w m 控 制时的工作波形，当输出电压发生变化，导致输出误差变化时。p w m 输出信号的 脉冲宽度将发生相应得变化，但其工作频率不变。因此，p w m 控制就是周期t 固 定不变，根据输入信号大小。改变脉冲的占空比，即改变电机的平均电压，从而 控制电机的转速，所以称为脉宽调制。 我们可以采用图2 5 所示的方法来设计具体的电机p w m 控制电路。 皇兰登垫奎堂堡主堂垡堡苎 ( a ) 脉宽调制( p w m ) 产生原理框图 卜 弋t |垂 、 、 删| p w m 输 出信号 鳓崭 譬出误差 iii lt i i i ( b ) 输出误差急剧变化时 ( c ) 输出误差稳定时 图2 4 脉宽调制( p w m ) 产生原理框图和波形图 强2 - s 电机的p w m 控制电路框萄 2 2h 桥电路工作的基本原理 由四个功率开关器件构成的h 桥基本电路结构如图2 6 所示。 1 0 第二章h 桥功率驱动器总体电路设计 图2 - 6h 桥基本电路结构 基本工作原理：通过四个功率开关( m 1 、m 2 、m 3 、m 4 ) 的导通( o n ) 和 关断( o f f ) 来控制电机的速度、运转方向和位置。这种电路结构的基本目的是： 直流电源( v s ) 接到负载电机上的极性可以用功率开关的导通和关断来控制，也 就是负载电流的方向可以改变。这就是所谓的四象限负载控制模式f 12 】( 1 3 】f 1 4 j 。如图 2 5 所示，当开关m 1 与m 4 闭合时，负载电流从电源( v s ) 由a 流向b ，此时负 载端a 点相对于b 点是正电位，电机正向转动。开关m l 与m 4 是由控制逻辑来 同步工作，在开关m 1 与m 4 闭合期间控制逻辑是使另一对互补开关m 2 与m 3 处 于断开状态。反之，当开关m 2 与m 3 闭合时，开关m 1 与m 4 断开，因此负载电 流从电源( v s ) 由b 流向a ，此时负载端b 点相对于a 点是正电位，电机反向转 动。h 桥功率驱动器对电机的控制通常采p w m 信号来控制，将方波信号加在电机 电枢的两端，通过调节p w m 信号的占空比来改变电机电枢上的平均电压，以此来 控制电机的转速或方向。 2 4h 桥功率驱动电路的两种控制模式 为了实现对电机速度或扭矩的控制( 实际上是对流过电枢的电流进行控制) ， 本文设计了三个输入控制信号d i r 、p w m 和b r a l 【e 。其中d i r 和p w m 控制电机 的方向和速度，b r a l ( e 用来控制电机的开关( 逻辑高电平表示关断电机，逻辑低电 平表示开启电机) 。工作条件要求h b r i d g e 的最终设计能同时满足两种控制方式 ( 9 】【i o i ：s i g n a l m a g n i t u d ec o “咖l ( s m 控制) 和l o c k e d a i n i p h a s ec o n 订o l ( l a p 控 制) 。 电子科技大学硕士学位论文 2 41s i g n a l m a g l l i t u d ec o n 仰l ( s m 控制) s m 控制特点是，同一桥臂高低端功率管保持固定，另一桥臂高低端功率管 根据输入控制信号来开启或关断，因此，在一个p w m 周期内，电动机电枢两端只 承受单一极性的电压。这种控制方式的功率损耗相对较小，但如果电机工作在受 限方式下，在负载很轻时会出现电流在一个p w m 周期内来回换向现象，这样导致 电机的运行不是十分稳定，因此主要应用于对电动机的动态特性要求不高的正反 转工作场合。 具体控制信号与输出的关系如图2 7 所示。 其中，d i r 控制电机转动的方向，d i r 为高电平驱动电机正向转动，d i r 为低 电平驱动电机反向转动。 电机转速大小由p w m 的占空比决定，占空比越高，电机转速越大。 因此可以通过改变d m 和p w m 信号来控制电机的方向及转速。 m ：= j 一 一- - - - - - - - - - - - - - - - w - - - - - - - - 一 ”u u 删硼 图2 7s ，m 控制方式理想输入输出波形 2 4 2l o c k e da n t i p h a s ec o n n d l ( l a p 控制) l a p 控制的特点是，四个功率管分为两组，m 1 、m 4 一组，m 2 、m 3 一组， 同一组中的两个晶体管同时导通、同时关断，两组晶体管之间交替地轮流导通和 截止，电流可以反向，使得电枢电流始终是连续的，同时，在一个p w m 周期里， 电动机电枢的电压极性呈正负变化。这种控制方式虽然不会发生电流断续现象， 有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其 是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此主要应 用在一些对电动机的动态特性要求较高，正反转工作的中小功率领域。 第二章h 桥功率驱动器总体电路设计 具体控制信号与输出的关系如图2 8 所示。 其中，p w m 接逻辑高电平，d i r 接方波信号： d i r 信号占空比5 0 代表平均输出电流为0 ，故驱动能力为o 。 d i r 信号占空比大于5 0 代表正向驱动，占空比越大，正向转速越高。 d i r 信号占空比小于5 0 代表反向驱动，占空比越小，反向转速越高。 开詹的】脚s 峨如m i m 峨帕峨m - l ，h h 柚虹啦m i ，m - ；m w 曲“ t 雕，聃档蛐， n n ：u u 旺u u ：，u 1 j 旺l u ：一丑门吐且一口口 由两种控制方式的输入输出关系可以确定控制信号与开启的功率d m o s 的关 系如表2 1 所示。 表2 1 输入逻辑信号与有效功率管驱动电路关系 p w md mb r a k ea c t 扣eo u t p u td r i v e r s hhlm 1 m 4 hllm 2 m 3 l x lm 1 m 2 hhhm 1 m 2 h l hm 3 m 4 lxhn o n e 2 5 总体电路结构设计 实现h 桥有多种不同的方法，从采用的功率器件上分主要有双极功率器件 ( g t r ) 、d m 0 s 功率器件和绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 三种。其中，双极功率 器件和d m o s 功率器件更适用于单片集成的智能功率集成电路( s p i c ) 。虽然l g b t 同时具有双极器件和m o s 器件的优点，但它主要用于中低频、高压、大电流功率 电子科技大学硕士学位论文 2 6 本章小节 本章首先从赢流电机的工作原理和数学模型入手，介绍了控制直流电机转速 的基本原理，同时给出了直流电机的三个基本平衡方程式；介绍了脉宽调制( p w m ) 的控制原理；然后给出两种控制模式：s i g n a l m a g n i t u d e ( s ，m ) 控制和l o c k e d a n t i p h a s e ( l a p ) 控制，以及两种控制模式的工作原理和特点：之后进行整体设计， 依据需要完成的整体功能设定所需的功能模块，以及各个模块之间的功能衔接； 最后得到整体功能框图和设计性能指标，确定了设计的可行性。 苎三童至皇墅燮塑丝笪量堕塞 图3 3 是各输出信号的温度特性，从仿真波形中可以看出各输出信号有良好的 温度特性。 一6 ，g 旦卫+ 。1 三o 纾l 。t 一。l 。- 一6 。鲨生1 三。，已一一l 。删上一上_ 。- j j j 一 一1 + 眵 型一。， ：翻岱ai - - 一 一4 。j 坚_ 弋 三o o 1 。1 。一l 。 一 暑兰：已：一一一一一 三j 2 5 莎l - j 。j j ，、 e 莎善j 丝l 1 d 岱2 景扩菘茁_ 茜产岱2 彩，g7 9 a 1 2 谚1 7 西 t 目p ( c ) 图3 ，3 温度特性扫描 3 2 振荡器电路 3 2 1 电路结构及原理分析 电路结构框图如图3 4 所示，本文提出的电流控制振荡器【1 6 1 【1 7 l 18 主要由三部 分组成，一部分是基准源产生的电流而和厶，一部分是由电容c o ，c 1 和开关s w l ， s w 2 组成，最后一部分是控制电路。 该电路利用基准源产生的电流而对电容c 0 进行放电和电流五对电容c l 进行 充电，从而产生对开关s w 0 和s w l 的控制信号。 电路的工作原理为：假设输出信号w 为高电平，使开关s w o 导通，s w l 关断，这时电流而对电容c o 进行放电，使a 点电压圪降低，经过控制电路作用 后，使输出信号汀变为低电平；然后汀使开关s w o 关颤，s w l 导通，电流 乃对电容c 1 进行充电，使a 点电压圪升高，于是输出w 又变为高电平，电路 如此循环工作，便在0 u t 端产生振荡信号。 电子科技大学硕士学位论文 3 2 2 振荡器电路分析 图3 5 是图3 - 4 振荡器功能框图的具体实现电路图。 图3 4 振荡器功能框图图3 5 振荡器电路图 从图3 5 中可以看出，图3 4 中的开关s w o 和s w l 分别由n m o sm n 0 和 p m o sm p o 代替，因此，图3 4 中的倒相器在具体电路中便不需要另外设计。 由于在集成电路中不易直接实现精确的电流源，故我们先产生了一个精确的 参考电压p 然后通过一个昨，变换电路，产生了两个精确的控制电流昂和五， 图3 5 中的电阻r 0 是外接的精密电阻，从电路图易知，流过r o 的电流为： 白= 等 ( 3 - 1 ) 假设m 5 与m 4 的宽长比比值为j 白，m 2 与m o 的宽长比比值为j b ，通过m 2 与m o 以及m 5 与m 4 组成的电流镜，我们可以分别计算出控制电流如和厶的值： ，o 1 = 世0 1 ，。r( 3 2 ) 对使用5 v 电压，假设振荡器输出信号沂初始值为高电平，此时n m o s m n l 导通，电流源直接通过m n l 流到地，c 1 不起作用，同时m p l 管关断，电容 c 0 通过电流源i o 进行放电，而m n 0 管导通，m p 0 管关断，使a 点电压圪降低到 1 v 左右，再通过两级反相器i n v o 和孙1 作用，使输出信号叮变为低电平； 当输出信号胛变为低电平后，p m o sm p l 导通，使c o 不起作用，而m n l 关断， 电容c l 通过电流源1 1 进行充电，同时m n 0 管关断，m p l 管导通，使a 电压圪 升高到4 v 左右，再通过两级反相器i n v 0 和i n v l 作用，使输出信号叮变为低 电平。其中m p 2 和m n 2 提高电路工作的可靠性和加快了波形的翻转速度。电路 如此循环工作，便在o u t 端产生振荡信号。 其中图3 6 所示的运算放大器【3 1 1 具体电路图为图3 5 中的0 p 。 第三章子电路模块设计与仿真 图3 6 塔算放大器电路图 此运算放大器采用折叠共源共栅【2 0 】【2 1 】【2 2 1 运算放大器。其共源共栅输出级与一 个差分放大器级联，达到一个较大的输入共模范围，同时折叠共源共栅运算放大 器提供自补偿，有着良好的输入共模范围以及较大的增益。折叠共源共栅运算放 大器在差分放大器中不要求准确的电流平衡，因为m l 和m 2 的漏级连接到m 4 和 m 5 的漏级额外的直流电流可以流迸或是流出电流镜。 折叠共源共栅运算放大器的小信号电路如图3 7 所示。 加l v 加 2 图3 7 图3 - 6 的小信号模型 我们可以根据图3 7 所示的小信号模型求出折叠共源共栅运算放大器的增益。 首先分别算出从m 6 和m 7 源端看进去的电阻。 凡：譬。上 ( 3 3 ) “ l + g 。6 6岛6 。7 如2 焉* 麦“ l 十7 k 77 名7 ( 3 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 其中：rm 。，么 毓护卷耥* 芋 ：粤亟! ! 尘2 坠：； 2 堡 ：鱼生 2 c 去饥：jz ( 警 2 ( 1 “ 其中 | ：墨! 墨查2 墨查12 g k 7 ，出7 詈= 譬+ 赫卜( 篇) 躺 l 2 2 ( 1 + 后) “l 2 + 2 七“”、1 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 _ 8 ) ( 3 9 ) 其中：曷。z g 。，i 【j f 【g 卅，( 2 么，) 】 ( 3 1 0 ) 从图3 8 中可以看出，此折叠共源共栅运算放大器具有足够的增益和相位裕 度，满足设计指标要求。 9 a 4 0 d 一1 0 0 0 0 导一7 够，0 o 一1 4 a 一：d 日2 0 v f ( ”v 。u t ) ， - ：p h 口亨e ( v f ( v 。u t f i ) ) 1 谚g1 k 1 0 k f 广e q ( h z ) 1 0 0 (1 m1 0 m 8 ：f 5 2 j 0 8 4 m 一1 1 4 5 7 7 g f o 口e ：每8 0 5 6 4 m 图3 - 8 折叠共源共栅运算放大器的开环增益及相位 3 2 3 输出频率的计算 电容c 0 放电时间乃和电容c 1 充电时间乃由下式计算： = 警 ( 3 - 1 1 ) 第三章子电路模块设计与仿真 输出振荡信号的周期就是电容c 1 充电时间和电容c 0 放电时间之和，因此输 出频率为： 产焘 。1 2 当c 0 电压从5 v 放电到一定电压时，以及当c 1 电压从0 v 充电到一定电压时， “r 经过m n 0 和m p 0 实现倒相，其中这两个电压差值，便分别是d 和u c ，的 取值。 从公式3 1 l 、3 1 2 中可以看出，改变c o ，c l 或，。，厶的值，同时可以改变振 荡器输出的占空比。 3 2 4 仿真结果与分析 图3 9 为振荡器输出波形，其中采用v d d = 5 v ，护乃= 7 ua ，比旷，c 尸3 v ， 得到输出频率为3 1 2 k h z 。 7 0 5 0 一 ) j 0 1 ，d 一1 g t i m e ( s ) 囤3 9 振荡器输出波形 从图3 9 可以看出，其上升时间和下降时间非常小，在8 0 n s 以内，输出信号 更接近理想矩形波形。 表3 一l 为采用v d d = 5 v ，保持振荡频率和电流而，厶的值不变，改变电容c l ， c 2 值，来调节振荡器的占空比。表3 2 为采用v d d = 5 v ，保持振荡频率和电容c 1 ， c 2 值不变，改变电流而，厶的值，来调节振荡器的占空比。 表3 1 占空比随电容c l ，c 2 值的变化情况表3 2 占空比随电流i l ，1 2 值的变化情况 用饵zf 产i l a c o | 吐 c l 雌 占空比， 26 2 3 6 3 1 27 5 4 4 4 9 5 627 58 ，k h zc o = c i 麟1 0 4 氏 i t f u a占窀比， 1 133 72 4 7 3 1 2 4 7 57 54 9 5 3 7 1 13 7 5 3 第三章子电路模块设计与仿真 点的电位为小于v c 2 ，d 1 管截止，d 2 导通，电荷就从m 1 源端流向a 点。当处于 方波的离电平时，d 1 导通，电荷从a 点流向v i 点。这样周而复始地工作，d l 、 d 2 及c 1 共同组成了个电荷泵，不断地把电荷由m 1 源端抽送到a 点再送至v l 端，以此来不断地给自举电容供电。 图3 1 4 功率d m o s 管栅驱动电路框图 下面具体来说明功率d m 0 s 管栅驱动电路的工作原理。 3 _ 3 1 高端功率管驱动电路一电荷泵电路和自举电路 1 电荷泵( c h a r g ep u m p ) 电路 为了驱动h 桥d m o s 开启，它的栅电 压必须比源端电压高出1 0 v 左右，h 桥下 面两个开关m o s 的源端接到地，栅驱动来 源于v s 供给电压。上面两个开关m o s 的 源接到输出引脚，其中输出引脚电压在v s 和地之间切换。为了给这些开关m o s 产生 栅电压，于是使用电荷泵电路【3 2 】。从图3 1 5 可以看到，q l ，q 2 被振荡器产生的3 0 0 k h z 时钟频率钳住，当0 2 开启，芯片中电荷泵 电容c c p 被充电到大约1 4 v ，当q 1 开启， q 0 u h d 图3 1 5 电荷泵电路原理图 电容的底部接到供给电压v s ，这导致连接到上方d m o s 功率开关的栅的x 点电 压上升到比供给电压高1 4 v ，这就保证了上方d m 0 s 的源端即使达到v s 电压也 能开启。但电容c c r 的值在实际考虑中被限制了，由于存储在c c p 中电荷有限， 于是上方的d m o s 的开启时间相对的慢，大概到1 k h z 左右，一旦d m o s 开启， 第三章子电路模块设计与仿真 6 a j 0 、_ ， a 0 7 0 _ j 谚 、， 一1 g 0 0 5 a “t f m e ( s ) 6 a “9 0 “ 图3 1 7 电荷泵仿真波形图 h 桥功率驱动电路工作在低频时，电荷泵的上升时间是一个非常重要的指标， 这个指标决定着当电路工作在低频时，高端功率管的开关速度。电荷泵离电平输 出电压比电源供电电压高1 2 v 左右，这高于栅电容电压，由于电荷泵对栅电容的 充电过程是一个电荷转移的过程，我们可以从图3 1 4 来求出要求的指标下，电荷 泵电容的大小。其中，陆为电荷泵电压，c 茹。为m 1 栅电容，炸。为第n 次给m l 栅电容充电电压。 第一次电荷转移， 【一( 十，) 】c i = 巧。 ( 3 一1 3 ) 因此， 5 乏麓 舯一矗 因此， = 哥 ( 3 - 2 3 ) 当九寸，可得， ：士：华：一， ( 3 埘) 2 击5 等2 一， ( 3 埘) 事实上，由于电荷泵特殊的电路结构，最初不是由电荷泵电容对功率管栅电 容充电，而是由电源在相当短的时间内对栅电容充电至1 2 v 。 假设经过a 个周期后，电荷泵将栅电容充电至1 2 v ，经过b 个周期后，将栅电 容充电至4 0 v ，因此有， 小铷叫 b z s ， 川哦挎- 叫 p z s ， 电荷泵上升时间为 f 。= f 6 一们r0 2 7 ) 性能指标要求f 2 0 p s ，在栅电容一定的条件下合理选择电荷泵电容可以 使满足f 。2 0 缈的性能要求，因此可得c 1 = 3 4 p f 。电荷泵上升时间仿真波形 如图3 1 8 所示。( g l ：功率管嘲l 栅电压，b 3 ：电荷泵输出) 第三章子电路模块设计与仿真 一：，g 1 r ：饵5 仇| i | 雌m 肌嗍删 t j 丌e ( # ) 图3 一1 8 电荷泵上升时间仿真波形图 给这些外接电容( c b ) 充电，它们的值相对图3 1 9 自举电路原理图 较高，而且充电时间是纳秒级。由于外接电容 ( c b ) 远远大于d m o s 功率晶体管的输入电容，所以这些晶体管能够非常迅速的 开启，可达到1 0 0 n s ，因此芯片可以在5 0 0 k h z 的频率下工作。 自举电路图如图3 2 0 所示。当控制逻辑输出信号g 1 c 输出为低电平时，m 3 截止，经过m 1 、m 2 组成的反相器，输出为高电平。使m 4 导通，又由于p m o s 管m 7 ，m 8 的控制输入电压为2 8 v 左右，而源端电压为3 0 v ，因此导通，于是 m 8 输出为低，约等于地，m 9 关断，b 点电压为4 2 v ，m 5 ，m 6 组成的电流镜工 作，a 点电压在q 1 作用下，被拉到和o u t l 电压一致，同时0 u t l 约为3 0 v 。由 于b s l 和o u t l 之间存在两个稳压管和电容c b ，在它们的作用下，使b s l 的电 压比0 u t l 高出1 2 v ，为4 2 v ，因此，对于反相器两端的电压为，高电平为4 2 v ， 低电平为3 0 v ，到达最后一级反相器，输出电压为4 2 v ，提供给q 3 发射极。b 3 彰 鲫 畅 弓 叫 秘 娟 拍 帅 一 一 ) | 电子科技大学硕士学位论文 也为4 2 v ，经过电阻r 1 提供给q 3 基极，同时，q 3 输出经过电阻r 2 输出4 2 v ， 使输出g l 为4 2 v ，提供给h 桥上方的功率m o s 管栅极，使之导通；同理，当 g l c 输出为高电平时，o u t l 为o ，b s l 为】2 v ，经过初始电路和反相器作用，最 后g 1 输出为0 ，同时，m 1 2 关断，m 1 1 开启，使m 1 3 开启，由于m 1 3 的宽长比 很大，可以流过大电流，使存储在g 1 上的电荷释放到地。让g 1 电位被拉到地电 位，使高端v d m o s 关断，起到栅保护电路的作用。在此电路中，q 3 的作用是给 高端功率管补充栅电荷，r l ，i 礴限流，避免了流进和流出q 3 的电流过大。多级 反向器是用来增加驱动能力。 图3 2 0 自举电路圈 三： 1 = l 三；乙6 。口。 一。口口 三一焉k = l d = 姐 三一篙已墨 口副 0 0 3 0 ut m e ( s )6 0 u 图3 2 1 自举电路仿真波形 第三章子电路模块设计与仿真 工作频率比较低时，电荷泵的输出信号b 3 可认为是连续信号，此信号经一个 二极管直接加到b o o t s t r a p 的b s l 。由b o o 招t r a p 电路控制功率d m o sm l 。图3 - 2 2 为低频条件下( 1 k 左右) ，电荷泵和自举电路的联合仿真结果。 0 0 j 捌j d0 5 0 ) 2 d 一1 0 6 0 ：j 0 一e0 n ，朗 一一* 一一 _ 。一一。上j 一，。 、r ：，b 3 f ，。一一一。 ，。一 l ，= _ 二! 二二= 一， 上= _ = 工_ ：= = 二二一 一翌f ” 厂 广一 二如l 。；一一一l 一，j 一一 00】0 m 20 m30 m 40 m t ir t l efs1 图3 2 2 低频条件下，电荷泵和自举电路联合仿真波形 3 t 3 。2 低端功率管驱动电路 同高端功率管驱动相比较，由于低端功率管的源端直接接地，所以它的栅驱 动电压不需要比电源电压高，因此，低端功率管的驱动电路设计相对要简单些。 驱动低湍功率管的具体电路如图3 2 3 所示。此电路提供给两个低端功率管的驱动 电压。由逻辑控制电路的输出信号g 3 c 或c 珥c 来控制输出的高低电平转换，实现 控制低端功率管的开关。 图3 2 3 低端功率管驱动电路 电子科技大学硕士学位论文 当g 3 c 输入低电平的时候，m n l 管关断，m p l 管导通，提供m n 3 的栅电压， 使m n 3 管导通，同时，m p 2 管导通，提供q 1 管的基极电流及电压，达林顿接法 的q 1 、q 2 管输出一个较大的电流给q 3 的集电极，电流通过q 3 流过齐纳二极管 输出栅电压g 3 ，并由齐纳二级管使电压稳定。当g 3 电压输出正常后，m n 3 管关 断，也就是说，输出正常后，没有电流流过m n 3 、q 3 管，由于没有通路，同样没 有电流流过q 1 、q 2 管，也就是说此电路是工作在瞬间的。当电路某些参数产生 波动或外界条件变化而使g 3 输出变低后，m n 3 、q 3 首先导通，q 1 、q 2 也导通 以确保g 3 的输出电压。 当g 3 c 输入高电平的时候，电路的右半部分，g 3 c 经过一个反相器