根據霍耳效應設計的電機控制芯片

本文論述了基于霍耳效應傳感芯片的電路設計原理和方法，并以0.5um， 雙層金屬，65V高壓CMOS工藝實現，電路實現了包括磁滯，防相位鎖死與自動重啟動等功能，并注意了功率輸出管的電壓鉗位，以及減少尖峰電流的發生。

1879 年，馬里蘭州立大學研究生霍耳發現：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，帶電離子會受到y 方向的磁力影響而產生電勢積累， 這就是霍耳效應。其中產生的電勢差被稱為霍耳電壓。由于變化的磁場會產生變 化的電場，那么，利用霍耳效應做磁場監測是可行的，事實上也是目前普遍采取 的方法?；诨舳膫鞲?控制芯片廣泛應用在電機控制、手機、電流及磁 場測量等領域。

實際應用中，常用于PC 散熱等用途的直流無刷電機，由于外部障礙物等因素， 可能異常停止運轉。電機控制芯片需要通過霍耳傳感器對磁場相位監測，判別異 常停轉情況，及時關閉電機并延時重啟，以便電機能夠恢復正常工作。

圖1 給出了霍耳效應芯片的設計框圖，由霍耳感應單元得到與磁場變換相關的電 壓信號，經放大器放大及磁滯比較器判別，控制邏輯監測電機的運行狀態，做出 關斷或延時自啟動等功能，功率輸出管驅動外部電機工作。

圖1 霍耳效應芯片的系統框圖

通常，電機需要在較寬的電壓范圍工作。在本設計中，目標要求芯片能夠工作在 3.3V~28V 的電壓范圍，并且當電機控制電壓高于54.7V 時，將輸出電壓鉗位防 止燒毀電機。

芯片工作電壓由其內部電壓源產生，而常見的帶隙基準很難在這樣寬的電壓范圍 內正常的工作。因此，設計中采用三極管時代流行的齊納二極管鉗位方法產生電 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。所幸在電機應用中，這些缺 點是次要的。

當電壓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 也可以導通，使得VCC 有電壓，同樣可使內部電路工作。其中，M1，M2，M3 皆為 高壓器件。經過適當設計，該電壓源可以在3V~65V 之間工作。

圖2 內部電壓源的產生

霍耳感應單元常用的形狀和工藝材料等有多種，此設計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之間會形成霍耳電壓Vo1。而通過開關控制，在下 一時刻，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（⊿R）效應。這樣較其他設計中常見的采用2 個或4 個霍耳感應單元消除壓電 電阻效應的方法更省面積，復雜度也有所減小。

圖3 霍耳感應單元

感應的霍耳電壓經過放大器放大和磁滯比較器輸出相應的數字信號，交由芯片控 制邏輯部分處理。為克服電機工作中的意外停止，本設計包含了防鎖死及自動重 啟機制。該機制根據比較器輸出信號相位的改變進行邊沿監測、計數、重置等工 作，與其他邏輯信號來判斷芯片的工作狀態。

圖4 防鎖死重啟電路及時序

防鎖死重啟電路及時序如圖4 所示，CompA 經過延遲后與延遲之前信號進行異或 運算，即可監測出脈沖邊緣變化。若使用1MHz 的時鐘信號，計數器持續計數到2^18=262，144us 時，電路進入鎖死狀態。21 位計數器繼續工作直到溢出，其間 時間差為2^21-2^18=1，835，008us，約1.8 秒后嘗試重啟，直到電機正常工作。

作為電機控制芯片，設計要求對輸出功率管的開關按照一定邏輯順序進行，并且 需要監視防鎖死重啟電路的輸出，以及控制功率管的死區（dead zone）時間等。 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 信號是計數器的輸 出，Reset 及其反信號是重啟動控制信號。當正常工作時，開關SW1 及SW3 有效； 當系統需要重啟動時，開關SW2 及SW4 有效。由En 信號控制開關組選擇芯片處 于正常狀態或是重啟動狀態，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

輸出驅動及保護電路如圖6 所示，芯片片內部分由驅動電路、輸出功率管、電壓 鉗位二極管構成。由于輸出功率管尺寸較大，需要驅動電路使其正常工作。其驅 動電路通常有串接的反向器串組成，且尺寸逐級增大。當VIN 過高時，可能燒毀 輸出功率管或電機，這里電壓鉗位二極管串將Vout 鉗制在最高允許電壓。若要 求最高電壓為54.7V， 齊納二極管正向和反向導通電壓分別為0.7V 和6.5V， 那 么以3 個正向和8 個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。

圖 6 輸出驅動及保護電路

完成的芯片版圖如圖7 所示。該芯片采用0.5um， 雙層金屬，65V 高壓CMOS 工藝 實現。經過測試，該芯片可以正常工作在2.8～28V 范圍，平均輸出電流可達 400mA。當電源電壓為24V 時，電流損耗為1.8mA，芯片面積650um×1140um。

圖7 霍耳效應電機控制芯片版圖