文|凹脸的外星人
编辑|凹脸的外星人
当代社会里，无论是基本的农业和工业的生产、交通运输还是精密的医疗电子、办公举动步伐，都与电机和其对应的驱动掌握技能息息相关。
作为影响国民经济的主要部分，能够精确掌握电机的智能功率集成电路及其所需的功率半导体器件就显得极为主要。
按事情电源种类，我们将电机划分为互换电动机与直流电动机两大种类，个中互换电动机根据其事情事理又可分为异步和同步两种。
电机除了须要具有将电能转换为动能的基本功能，还须要能够精确掌握启动停滞、转速、转向和保护功能。
在某些特定用场中，我们须要一些能够在自动掌握装置或系统中利用的电机，因此产生了掌握电机。
作为掌握电机的核心部分，其掌握部分与电动机部分紧密相连。
掌握部分的电力电子技能与电动机部分共同构成的伺服系统，则是在机电一体化技能快速发展的过程中为电力电子技能发展定出了新的方向。
功率集成电路PIC(powerIC)作为当代电力电子技能的根本，自从80年代初期美国研制出首块功率集成电路后，便得到了快速的发展。
这几年来，作为集成电路家当里发展最快的几个方向之一，功率集成电路具有是使功率和信息合一的基本功能，因此成为了机、电的主要接口。
由于采取功率集成电路之后装置内电源部分会发生体积缩小、重量减轻、寄生参数减小、性能改进、可靠性提高等变革，使得装置的本钱大幅度降落。
以是功率集成电路在开关电源、马达驱动、工业掌握、汽车电子、日常照明、家用电器等方面得到了广泛的运用。
H桥电机驱动芯片的事情事理本文中，四个作为开关管利用的功率管共同组成而来H桥电机驱动电路中H桥的四个桥臂，对付H桥的四个开关管可以采取双极功率器件GTR、DMOS及IGBT三种器件。
这三种器件中GTR由于是双极器件，电流放大能力强但是也具有双极器件中开关特性及频率特性较差的缺陷。
DMOS与GTR相反，开关特性及频率特性好但是电流能力弱，须要并联较多DMOS才能达到所需电流能力。
IGBT器件作为电压掌握电流型双子器件，结合了上述两种器件的优点，以是在中低频、高压大电流的功率驱动电路中较为适用。
而在低于100V的SPIC中，由于IGBT工艺比DMOS工艺更繁芜且较难与低压CMOS的集成，以是此时紧张采取DMOS作为H桥的四个桥臂上的开关功率管。
本文采取的是80VBCD工艺，个中的四个开关功率管采取的是N沟道的LDMOS，在担保与低压CMOS及Bipolar较好集成的同时，降落制造难度。
为了给电机在迁徙改变方向改变时供应放电回路，以是在本文采取的LDMOS中寄生了反向续流二极管。
M1、M2、M3、M4为四个开关功率管，个中M1、M2为H桥对称的高端功率管(Highside)，M3、M4为H桥对称的低端功率管(lowside)。
A和B作为本文中所设计的H桥电机驱动芯片的输出，分别与电机Motor相连，通过掌握M1、M2、M3、M4者四个开关功率管的导通与截止来掌握A与B的电流，从而达到掌握电机转向及转速。
当开关功率管M1、M4导通及M2、M3截止时，外部输入电源上电流从A流向B，此时电机正向迁徙改变。
当开关功率管M2、M3导通及M1、M4截止时，外部输入电源上电流从B流向A，此时电机反向迁徙改变。
本文中的H桥电机驱动芯片在逻辑掌握部分外部输入PWM(PulseWidthModulation)旗子暗记，电机电枢上的均匀电压可以通过调节PWM旗子暗记的占空最近改变，从而达到掌握电机迁徙改变速率的目的。
输入DIR(Direction)旗子暗记来掌握电机迁徙改变方向，输入BRAKE旗子暗记作为电机制动掌握。本文设计的四个开关功率管随这外加PWM、DIR、BRAKE旗子暗记改变时的开关状态变革。
H桥电机驱动芯片的整体设计事理H桥的四个功率管采取的是薄栅氧的N沟道LDMOS。
由于电机是感性负载，所以为了担保电机迁徙改变方向改变或迁徙改变速率变革时电机上所保存的能量有放电回路，本文所采取的LDMOS寄生了反向续流二极管。
为了担保四个开关功率管在外部输入旗子暗记掌握下能够迅速的导通或截止，在每个功率管的栅上添加驱动电路，用来给功率管的栅电容进行快速充放电。
低端功率管的栅驱动电压只须要高于低端功率管的阈值电压几伏，担保低端功率管完备导通就可以。
高端功率管由于其源电位是浮动的(高端功率管导通时，其源电位近视为电源电压；高端功率管截止时，其源电位接地)，以是在高端功率管导通时该当担保其栅电压与源电压的差值大于其阈值电压。
为了达到这个目的，在高端功率管的驱动电路前级该当添加自举电路(bootstrap)、电荷泵电路(chargepump)和振荡器电路(osillator)。
自举电路外接一个10nF的电容，用来在高频事情下的高端功率管的栅电荷进行补充，使功率管导通时栅电压高于源电压7.2V。
电荷泵电路用来给在低频事情下的功率管的栅电荷进行补充，担保功率管持续导通时不会由于栅电荷丢失而产生的栅电压低落。
而振荡器电路是为了给电荷泵电路供应一个较高的频率。
为了掌握四个功率管驱动电路的事情状态，外部输入PWM旗子暗记、DIR旗子暗记和BRAKE旗子暗记经由逻辑掌握电路后输出四个功率管驱动电路的数字掌握旗子暗记G1C、G2C、G3C、G4C，经由驱动电路转化为四个功率管的栅掌握旗子暗记G1、G2、G3、G4。
个中G1、G2掌握高端功率管，G3、G4掌握低端功率管，为了防止由于H桥一侧的高端功率管与低端功率管同时导通产生的shoot-through征象。
造成从电源到地涌现一个很大电流烧毁芯片，该当在芯片中设置去世区韶光。
由于外部电源电压为80V，芯片内部既有仿照部分也有数字部分，须要不同的内部电源，而且还须要为其他电路供应偏置旗子暗记，以是本文所设计的H桥电机驱动芯片内部集成了基准源电路(reference)。
除此之外芯片内部还集成了过温保护电路、过流保护电路和欠压封锁电路，这些保护电路的功能都是在电路某个参数超过设定的极限值时关断所有功率管。
在本文中，设定当保护电路的输出为低电平时开启保护，保护电路的输出旗子暗记通过逻辑掌握电路将其进行一系列运算。
末了输出掌握旗子暗记掌握功率管终极关断，使电路及负载得到有效保护。
H桥电机驱动电路终极目的是要能够精确掌握电机的迁徙改变速率，为了清晰的表示电机的迁徙改变速率，本文中的H桥电机驱动电路加入电流采样电路。
由前文可知，电机的迁徙改变速率与流过电机的电流成正比，本文所设计的H桥电机驱动芯片可以对流过电机的电流进行采样，产生一个与电机电流成一定比例的采样电流。
该电流旗子暗记通过外接电阻转化为电压旗子暗记，然后电压旗子暗记通过外部掌握芯片之后反馈给芯片内部的逻辑掌握电路，从而掌握电机迁徙改变速率发生变革。
高端自举驱动电路由于本文中高端功率管采取N沟道LDMOS，其导通须要使LDMOS的栅源电压高于阙值电压；为了担保导通电阻较低，须要使功率监工作在深线性区，则功率管的栅源电压较大。
以是在源电位浮动的同时，H桥高端功率管的栅极电位也必须同时浮动，担保栅源电压。
悬浮驱动电路8可以通过直接用脉冲变压器进行隔离及悬浮，或者采取光电隔离及独立电源供电，除此之外还可采取悬浮自举驱动技能。
当H桥电机驱动芯片的高端功率管导通后，其源端电压会变为一个约与外部电源电压VDC相等的电位，以是必须抬升高端功率管的栅极电压，担保Vcs大于其阈值电压，坚持功率管的正常事情。
方波下拉式电平位移作为常用的电平位移电路，在事情的过程中功耗较大，如何降落电平位移电路的功耗也就成为高端驱动电路设计的一个难点。
基于上述悬浮办法之一的悬浮自举驱动技能，本文设计了一个集成电平位移电路的高端自举驱动电路。
该电路采取脉冲下拉式电平位移电路，在担保抬升高端功率管的栅极电位的浸染下，与常规方波下拉式电平位移电路比较大大降落了电路的功耗。
高端自举电路为H桥电机驱动电路中的核心部分。
包括：电平位移电路、驱动电路、输出电路。
个中电平位移电路将前级逻辑掌握电路输出到高端自举驱动电路中的的0V-6.5V的方波旗子暗记转换成为OUT-BS的方波旗子暗记，频率与掌握旗子暗记相同。
驱动电路则是为了增大驱动电流，提高掌握旗子暗记的驱动能力而设计，输出电路根据电平位移电路的输出旗子暗记掌握高端功率管的导通与关断。
M1作为H桥的个中一个高端功率管，漏端为外接电源电压VDC，源端为浮动电压旗子暗记OUT，在BS端和OUT端间设置了外接自举电容C3。
现在根据功能框图剖析高端自举电路的事情事理：当逻辑掌握电路掌握低端功率管M2导通时，OUT端电位接地，同时掌握高端功率管M1关断，其栅电位同OUT端电位相等。
当逻辑掌握电路掌握低端功率管M2关断时，M1内寄生的反向续流二极管使得OUT端电位抬升至电源电压VDC，并且由于高端功率管M1的栅源两端并联了齐纳二极管Z1和自举电容C3。
本文所采取的80VBCD工艺中齐纳二极管击穿电压为6.5V，为了防止电流从OUT端流向BS端，在Z1上串联一个二极管，以是高端功率管M1的栅电位VBs为Vour+7.2V。
此时高端功率管M1的栅源电压差为Vzi+Vp，使M1导通。
结语本文设计了一款具有高功率驱动能力的H桥电机驱动电路芯片。
本电路设计过程中，在器件方面集成了Bipolar、CMOS和DMOS三种不同类型的器件，在电路方面集成了CMOS逻辑掌握电路、Bipolar功率放大电路和DMOS功率器件。
首先确定该电路的性能指标，并通过对性能指标的剖析确定器件和工艺的哀求；其次通过对电路进行仿真；末了完成后端版图的设计与绘制、流片。
系统地对H桥电机驱动芯片的事情事理进行剖析。
分别对H桥电机驱动芯片在S/M模式和LAP模式下的事情事理进行了剖析，并以此为依据提出了本文所设计的H桥电机驱动芯片的性能指标和设计原则。
末了根据电路的剖析，对利用的BCD工艺平台提出了对器件类型、电学指标和工艺制造的哀求。
