基于霍耳效应的电机控制芯片设计

1879年，霍耳发现：沿x方向流过的电流受到其垂直方向（z方向）的磁场作用时，带电离子会受到y方向的磁力影响而产生电势积累，这就是霍耳效应。其中产生的电势差称为霍耳电压。由于变化的磁场会产生变化的电场，那么，利用霍耳效应做磁场监测是可行的，事实上也是目前普遍采取的方法。基于霍耳效应的传感-控制芯片广泛应用在电机控制、手机、电动车、电流及磁场测量等领域。

　　实际应用中，例如常用于PC散热等用途的直流无刷电机，由于外部障碍物等因素，可能异常停止运转。那么，电机控制芯片需要通过霍耳传感器对磁场相位监测，判别异常停转情况，及时关闭电机并延时重启，以便电机能够恢复正常工作。

　　图1给出了本设计中霍耳效应电机控制芯片的设计框图，由霍耳感应单元得到与磁场变换相关的电压信号，经放大器放大及磁滞比较器判别，控制逻辑监测电机的运行状态，做出关断或延时自启动等功能，功率输出管驱动外部电机工作。

图1 霍耳效应芯片的系统框图

　　通常，电机需要在较宽的电压范围工作。在本设计中，目标要求芯片能够工作在3.3V~28V的电压范围，并且当电机控制电压高于54.7V时，将输出电压钳位防止烧毁电机。

　　芯片工作电压由其内部电压源产生，而常见的带隙基准很难在这样宽的电压范围内正常的工作。因此，设计中采用三极管时代流行的齐纳二极管钳位方法产生电压源，如图2所示。这种电压源可以在很宽的电压范围工作，但也有电流消耗较大，且输出随电源电压、温度变化较大等诸多缺点。所幸在电机应用中，这些缺点是次要的。

　　当电压VIN高于齐纳管的反向击穿电压（一般约为6~7V，这里取6.5V）后，Vz电压被钳制在6.5V，R1起到限流的作用。而VIN低于6.5V而高于一定值，M1也可以导通，使得VCC有电压，同样可使内部电路工作。其中，M1,M2,M3皆为高压器件。经过适当设计，该电压源可以在3V~65V之间工作。

图2 内部电压源的产生

　　霍耳感应单元常用的形状和工艺材料等有多种，此设计使用正方形外形并基于无特殊掺杂的CMOS工艺。 在图3左图中，电流自+Vs流向地端，磁场垂直于该片面，则将在方形的另外两顶点之间会形成霍耳电压Vo1。而通过开关控制，在下一时刻，电流流向及霍耳电压取向改为右图所示，这样也能够消除硅片的压电电阻（ΔR)效应。这样较其他设计中常见的采用2个或4个霍耳感应单元消除压电电阻效应的方法更省面积，复杂度也有所减小。

图3 霍耳感应单元

　　感应的霍耳电压经过放大器放大和磁滞比较器输出相应的数字信号。根据实际情况，在典型情况下可以将工作点设为30高斯，释放点设为-30高斯，磁滞宽度为60高斯。

　　磁滞比较器的输出信号交由芯片控制逻辑部分处理。为克服电机工作中的意外终止，本设计包含了防锁死及自动重启机制。该机制根据比较器输出信号相位的改变进行边沿监测、计数、重置等工作，与其他逻辑信号来判断芯片的工作状态。

图4 防锁死重启电路及时序

　　防锁死重启电路及时序如图4所示，CompA经过延迟后与延迟之前信号进行异或运算，即可监测出脉冲边缘变化。若使用1MHz的时钟信号，计数器持续计数到218=262,144μs时，电路进入锁死状态。21位计数器继续工作直到溢出，其间时间差为221-218=1,835,008μs，约1.8秒后尝试重启，直到电机正常工作。

　　作为电机控制芯片，设计要求对输出功率管的开关按照一定逻辑顺序进行，并且需要监视防锁死重启电路的输出，以及控制功率管的死区(dead zone)时间等。这些功能由芯片逻辑控制部分完成，该部分简化电路如图5所示。Comp信号为经过处理的磁滞比较器的输出，Osc信号来自振荡器，H_peak信号是计数器的输出，Reset及其反信号是重启动控制信号。当正常工作时，开关SW1及SW3有效；当系统需要重启动时，开关SW2及SW4有效。由En信号控制开关组选择芯片处于正常状态或是重启动状态，En信号电平由防锁死重启逻辑判断给出。

图5 控制逻辑简化电路图

　　输出驱动及保护电路如图6所示，芯片片内部分由驱动电路、输出功率管、电压钳位二极管构成。由于输出功率管尺寸较大，需要驱动电路使其正常工作。其驱动电路通常有串接的反向器串组成，且尺寸逐级增大。当VIN过高时，可能烧毁输出功率管或电机，这里电压钳位二极管串将Vout钳制在最高允许电压。若要求最高电压为54.7V, 齐纳二极管正向和反向导通电压分别为0.7V和6.5V, 那么以3个正向和8个反向齐纳二极管串接，则钳位电压约在3×0.7＋8×6.5＋0.6＝54.7V。这里，上拉电阻使输出控制信号在不同的VIN电压下都可以被正确的读出。

图6 输出驱动及保护电路

　　完成的芯片版图如图7所示。该芯片采用0.5μm, 双层金属，65V高压CMOS工艺制程流片。经过测试，该芯片可以正常工作在2.8～28V范围，最高输出电流可达400mA。当电源电压为24V时，电流损耗为1.8mA，芯片面积650μm×1140μm。

图7 霍耳效应电机控制芯片版图