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马达开关-FL80466产品介绍:
马达开关驱动电路结构
马达开关驱动电路采用Totem输出结构设计,上拉驱动管为NMOS管N4、晶体管Q1和PMOS管P5。下拉驱动管为NMOS管N5。图中CL为负载电容,Cpar为B点的寄生电容。虚线框内的电路为自举升压电路。
马达开关驱动电路的设计思想是,利用自举升压结构将上拉驱动管N4的栅极(B点)电位抬升,使得UB>VDD+VTH ,则NMOS管N4工作在线性区,使得VDSN4 大大减小,最终可以实现驱动输出高电平达到VDD。而在输出低电平时,下拉驱动管本身就工作在线性区,可以保证输出低电平位GND。因此无需增加自举电路 也能达到设计要求。
考虑到此马达开关驱动电路应用于升压型DC-DC转换器的开关管驱动,负载电容CL很大,一般能达到几十皮法,还需要进一步增加输出电流能力,因此增加了晶体管 Q1作为上拉驱动管。这样在输入端由高电平变为低电平时,Q1导通,由N4、Q1同时提供电流,OUT端电位迅速上升,当OUT端电位上升到 VDD-VBE时,Q1截止,N4继续提供电流对负载电容充电,直到OUT端电压达到VDD。
马达开关在OUT端为高电平期间,A点电位会由于电容Cboot 上的电荷泄漏等原因而下降。这会使得B点电位下降,N4的导通性下降。同时由于同样的原因,OUT端电位也会有所下降,使输出高电平不能保持在VDD。为 了防止这种现象的出现,又增加了PMOS管P5作为上拉驱动管,用来补充OUT端CL的泄漏电荷,维持OUT端在整个导通周期内为高电平。
马达开关驱动电路的传输特性瞬态响应在图4中给出。其中
(a)为上升沿瞬态响应,
(b)为下降沿瞬态响应。从图4中可以看出,驱动电路上升沿明显分为了三个部分, 分别对应三个上拉驱动管起主导作用的时期。1阶段为Q1、N4共同作用,输出电压迅速抬升,2阶段为N4起主导作,使输出电平达到VDD,3阶段为P5起 主导作用,维持输出高电平为VDD。而且还可以缩短上升时间,下降时间满足工作频率在兆赫兹级以上的要求。
需要注意的问题及仿真结果
电容Cboot的大小的确定
Cboot的最小值可以按照以下方法确定。在预充电周期内,电容Cboot 上的电荷为VDDCboot 。在A点的寄生电容(计为CA)上的电荷为VDDCA。因此在预充电周期内,A点的总电荷为
Q_{A1}=V_{DD}C_{boot}+V_{DD}C_{A}
B点电位为GND,因此在B点的寄生电容Cpar上的电荷为0。
在自举升压周期,为了使OUT端电压达到VDD,B点电位最低为VB=VDD+Vthn。因此在B点的寄生电容Cpar上的电荷为
Q_{B}=(V_{DD}+V_{thn})Cpar (2)
忽略MOS管P4源漏两端压降,此时Cboot上的电荷为VthnCboot ,A点寄生电容CA的电荷为(VDD+Vthn)CA。A点的总电荷为
QA2=V_{thn}C_{BOOT}+(V_{DD}+V_{thn})C_{A} (3)
同时根据电荷守恒又有
Q_{B}=Q_{A}-Q_{A2} (4)
综合式(1)~(4)可得
C_{boot}=\frac{V_{DD}+V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+\frac{v_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A}=\frac{V_{B}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+\frac{V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A} (5)
从式(5)中可以看出,Cboot随输入电压变小而变大,并且随B点电压VB变大而变大。而B点电压直接影响N4的导通电阻,也就影响驱动电路的上升时 间。因此在实际设计时,Cboot的取值要大于式(5)的计算结果,这样可以提高B点电压,降低N4导通电阻,减小驱动电路的上升时间。
P2、P4的尺寸问题
将公式(5)重新整理后得:
V_{B}=({V_{DD}-V_{thn})\frac{C_{boot}}{Cpar}-V_{thn}\frac{C_{A}}{Cpar} (6)
从式(6)中可以看出在自举升压周期内, A、B两点的寄生电容使得B点电位降低。在实际设计时为了得到合适的B点电位,除了增加Cboot大小外,要尽量减小A、B两点的寄生电容。 在设计时,预充电PMOS管P2的尺寸尽可能的取小,以减小寄生电容CA。而对于B点的寄生电容Cpar来说,
主要是上拉驱动管N4的栅极寄生电 容,MOS管P4、N3的源漏极寄生电容只占一小部分。我们在前面的分析中忽略了P4的源漏电压,因此设计时就要尽量的加大P4的宽长比,使其在自举升压 周期内的源漏电压很小可以忽略。但是P4的尺寸以不能太大,要保证P4的源极寄生电容远远小于上拉驱动管N4的栅极寄生电容。
阱电位问题 ,PMOS器件P2、P3、P4的N-well连接到了自举升压节点A上。这样做的目的是,在自举升压周期内,防止他们的源/漏--阱结导通。而且这还可以防止在源/漏--阱正偏时产生由寄生SRC引起的闩锁现象。
上拉驱动管N4的阱偏置电位要接到它的源极,最好不要直接接地。这样做的目的是消除衬底偏置效应对N4的影响。
驱动电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计并经过Hspice仿真验证。在表1中给出了电路在不同工作电压、不同负载条件下的上升时间tr和下降时间tf 的仿真结果。在图5中给了电路工作在输入电压1.5V、工作频率为5MHz、负载电容60pF条件下的输出波形。
结合表1和图5可以看出,此驱动电路能够在工作电压为1.5V,工作频率为5MHz,并且负载电容高达60pF的条件下正常工作。它可以应用于低电压、高工作频率的DC-DC转换器中作为开关管的驱动电路。
结论
本文采用自举升压电路,设计了一种BiCMOS Totem结构的驱动电路。该电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计,可在1.5V电压供电条件下正常工作,而且在负载电容为60pF的条件下,工作频率可达5MHz以上。
马达开关-FL80466
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