风扇电机驱动IC设计及仿真优化与验证

发布时间：2019-11-14 01:00

【摘要】：随着集成电路集成规模越来越大,与其相对应的功耗也跟随上升,造成芯片工作温度持续增加,电源、芯片散热成为了突出问题,本文通过对单相无刷直流风扇电机工作原理的分析和掌握,利用UMC0.6μmBiCMOS工艺,设计了单相直流风扇电机驱动IC,该款IC可实用于服务器电源、笔记本CPU和车载音响等设备的散热领域。驱动电路需要一个外置霍尔传感器配合使用,利用霍尔传感器反馈风扇电机转速和转子相位信息,经过内部逻辑运算模块的识别和处理,霍尔信号转化为功率管的控制信号,实现电磁力矩的适当切换,从而正确驱动风扇按原方向持续转动。根据上述原理,驱动电路中功率运算放大器的设计,采用第一级提供高增益,第二级提供功率驱动的两极结构,利用环路电阻比例以及增大放大器的失调电压来实现对输入霍尔信号的360倍线性放大和软开关切换功能,软开关切换功能是指输入霍尔信号幅值的高低调整,可以控制驱动电路输出电压上升沿的上升速度,利用此项功能,风扇电机随输入霍尔信号的幅值变化,可以自动调整换相输出时的电压上升速率,从而使风扇工作时具有低噪声特性。此外,整个电路还包含有基准源、电源电压比较器、高温保护和锁定检测与自动重启等功能模块,用以提高芯片的工作可靠性。电源电压比较器保证系统可以在2.2V低压供电时正常工作;锁死检测及自动重启功能是指当风扇电机因外在阻碍导致电机不转时,为防止电机过热烧毁,自动关断驱动电流2秒,同时每隔2秒对电机进行0.2秒的驱动尝试,直到电机恢复正常工作为止。本文利用EDA工具CANDENCE对电路进行设计,同时利用电路特性分析仿真软件HSPICE对电路的功率运算放大器、电源电压比较器和锁定检测及自动重启等主要子模块进行仿真,确定各个子模块电路的仿真结果满足设计要求,随后对整体电路进行仿真和版图设计。最后,为验证IC主要参数是否满足设计指标,对芯片小样进行了测试,所得结果令人满意。芯片工作电压范围为2.2V-13.8V,风扇电机转速与电源电压呈线性关系,具有较强的带负载能力,很宽的转速调节范围和低噪声特征。
【图文】：

流程图,由路,流程图

2.1.3 驱动电路的设计流程和整体结构解析本文所设计的 IC 是单相无刷直流电机的驱动电路，由前面所述，，其配合小型风扇使用，可用于车载音响设备散热，笔记本 CPU 散热和服务器电源散热等散热领域，工作电压范围为 2.2V-13.8V。外置霍尔传感器将风扇电机转子相位信息反馈给芯片，芯片内部逻辑运算模块将霍尔信号识别和放大转化为功率管的控制信号，实现风扇电机绕组上导通电流的适时换相，从而维持风扇按原方向持续转动。当芯片因外力锁定不转时，能够实现锁定保护并输出报警信号，同时具有阻碍解除后，风扇自动重新启动功能。

框图,驱动电路,整体结构,框图

图 2-3 驱动电路整体结构框图（1）BIAS 电路BIAS 电路包括 PTAT 电流源和 Bandgap 基准电压源，该电路主要功模块提供固定的偏置电流，这个电流基准源是由 Bandgap 电压产生， 7.6μA；给其他模块提供固定的参考电压，典型值为 1.22V。（2）COMP_POWER 电路电源 VCC 的工作电压范围为 2.2V-13.8V，因此当电源电压较低时，结构的 Regulator 电路供电，会比输入的电源电压低一个 VBE的压降，动电路的其它模块不能正常工作，于是当输入电源电压较低时直接用压为驱动电路供电。该电路的主要功能就是实现在电源电压大于 5.8gulator 电路供电；当电源电压小于 5.8V 时，驱动电路将直接采用电源（3）Regulator 电路虽然电源电压范围为 2.2V-13.8V，但是在其他模块的应用中，5V 的够，并且高电源电压对器件工艺要求也很高，由于工艺的限制，所以 LDO 式的 Regulator 电路给内部电路提供 5V 的稳定电源。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM33

【参考文献】