高安全性能马达驱动IC设计研究

论文摘要

针对医疗仪器及数位相机的应用需求,本文基于TSMC 0.5μm CMOS工艺,研究设计了一款高安全性能的并行控制单通道马达驱动IC。该芯片在完成对马达基本控制功能外,须对马达进行三个方面保护,即包括三个功能模块。电压保护模块,在低压1.8V下将芯片关断,并且内部带有迟滞功能,防止芯片在低压下误动作;温度保护模块,在高温150oC时将芯片关断,也同样具有迟滞功能;大电流保护模块,在马达短路或是电流超过850mA时,立即将芯片关断,有效防止马达烧毁。本文中重点分析设计了芯片系统中的三种过流保护电路和一个低失调运算放大器。第一种过流保护结构采用最简单电路架构,但随电源电压变化设计值也会有很大漂移。第二种架构采用一个小的采样管对输出电流采样,但在低电源电压下采样误差偏大。第三种架构相对复杂,但实际仿真和测试值与设计值最接近。由于该芯片对于安全性能有很高的要求,芯片最终采用最后一种架构。本论文中通过将失调电压分别加到运算放大器正反输入端,设计了一款低失调运算放大器。该低失调运算放大器的失调电压低于2μV。通过芯片设计仿真及最后的芯片测试,所有结果都达到了设计指标。并且芯片额定功率MOS输出晶体管的导通电阻(RDS(on))仅为1.3?,具备很强的带负载能力。该芯片目前已经量产。本论文研究成果为其它同类芯片的设计提供了一定的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 课题的重点和主要内容
• 1.3 研究内容及章节安排
• 第二章 直流马达驱动芯片系统原理及应用
• 2.1 直流马达驱动芯片简介
• 2.1.1 直流马达驱动芯片基本结构框图
• 2.1.2 芯片特点
• 2.1.3 电气参数指标
• 2.2 直流马达驱动芯片工作原理
• 2.2.1 直流马达驱动芯片系统工作原理
• 2.2.2 工作过程
• 2.3 直流马达驱动芯片基本特性描述
• 2.3.1 低输入PIN电流和输出电阻
• 2.3.2 避免OCP误操作功能
• 2.3.3 快速开关
• 2.3.4 保护功能
• 2.4 本章小结
• 第三章 直流马达驱动芯片的电路设计与仿真
• 3.1 带隙基准电路
• 3.1.1 电路基本原理
• 3.1.2 PTAT 电路
• 3.1.3 带隙电路
• 3.1.4 微调电路
• 3.1.5 仿真结果
• 3.2 低失调运算放大器
• 3.2.1 电路构架
• 3.2.2 运算放大器的失调分析
• 3.2.3 传统放大器抑制失调的分析
• 3.2.4 低失调运算放大器的分析与设计
• 3.2.5 仿真结果
• 3.3 过温和欠压保护电路
• 3.3.1 过温保护（TSD）
• 3.3.2 欠压保护（UVLO）
• 3.4 过流保护电路
• 3.4.1 过电流限制电路（OCL）
• 3.4.2 过流保护电路（OCP）
• 3.4.3 具体电路设计
• 3.4.4 仿真波形
• 3.4.5 OCP电路中的模块
• 3.5 驱动级电路
• 3.6 整体仿真验证
• 3.6.1 整体仿真波形
• 3.6.2 整体电流仿真
• 3.6.3 输出电阻仿真
• 3.6.4 开关时间仿真
• 3.7 本章小结
• 第四章 版图布局及测试结果
• 4.1 版图布局
• 4.2 芯片测试结果
• 4.2.1 功能测试
• 4.2.2 芯片各项指标测试
• 4.2.3 芯片版图改进
• 4.3 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 附件