一种低电压无刷直流振动电机驱动芯片设计

单位代码：10293密级：公开硕士专业学位论文论文题目：一种低电压无刷直流振动电机驱动芯片设计Y202092449吴佩莉方玉明副教授徐跃副教授工程硕士申请全日制■在职□申请电子与通信工程二零一二年二月学号姓名导师专业学位类别类型专业（领域）论文提交日期南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。研究生签名：_____________日期：____________研究生签名：____________导师签名：____________日期：_____________南京邮电大学工程硕士学位论文摘要专业：电子与通信工程研究方向：CMOS模拟集成电路设计作者：吴佩莉指导教师：方玉明副教授徐跃副教授题目：一种低电压无刷直流振动电机驱动电路设计英文题目：Thedesignofalow-voltagebrushlessDCvibrationmotordriver主题词：CMOS工艺，H桥驱动，PWM控制，启动时间控制电路，死区时间，欠压锁定，过热关断Keywords:CMOSprocessing,H-bridgedrive,thePWMcontrol,start-uptimecontrolcircuit,dead-time,under-voltagelockout,thermal-shutdown南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文摘要Ⅰ摘要智能功率模块（IntelligentPowerModules，IPM）不仅集成有功率开关器件和栅极驱动电路，还内置欠压、过压、过热、过流等故障检测电路，保障IPM的安全可靠运行及使用寿命。加之IPM具有体积小巧、灵活，使用方便的特点，已经广泛应用在航空航天、汽车电子、工业控制及消费电子等各个领域。本论文设计的电机功率驱动电路，作为一种典型的IPM，可应用于低电压、中小功率场合下无刷直流振动电机系统的驱动。基于PWM控制模式，并采用CMOS制造工艺，工作电源电压范围在2V～4V，工作温度范围在-25℃～125℃之间，具有欠压锁定及过温关断的自检测及保护功能，并设计了安全可靠的高速启动模式和H桥死区时间产生电路来完善电机功能。论文从介绍无刷直流电机的数学模型及电机启动特性出发，给出H桥驱动电路整体设计构思：规划了具体功能模块及各模块之间的逻辑连接，重点设计了启动时间控制电路、PWM控制电路和H桥驱动具体结构三个模块，详细分析了环形振荡器、欠压锁定电路及过热关断电路。完成具体电路的设计后，在CSMCm5.0CMOS工艺下，利用Cadence集成的Spectre仿真器逐一进行电路仿真及结果分析，验证设计的准确性。最后完成整体电路的版图设计并在通过DRC、EXT及LVS后进行电路的后仿真工作，确定了电路设计满足性能要求。关键词：CMOS工艺，H桥驱动，PWM控制，启动时间控制电路，死区时间，欠压锁定，过热关断南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文AbstractⅡAbstractIntelligentPowerModules(IPM)hasnotonlyintegratedwithpowerswitchingdevicesandgatedrivecircuits,butalsocontainedsomefaultdetectioncircuits:under-voltagelockout,over-voltageprotection,thermal-shutdownandover-currentprotectiontoinsurethesafeandreliableoperationandservicelifeoftheIPM.Coupledwithcompactflexiblefeaturesandconvenience,theIPMnowhaswidelyusedinvariousfields,suchasaerospace,automotiveelectronics,industrialcontrolandconsumerelectronicsetc.Inthispaper,asatypicalIPM,akindofH-bridgedrivecircuitwasdesignedandcouldbeusedinsituationsoflow-voltage、low-powerforbrushlessDCvibrationmotor’sdrive.BasedonthePWMcontrolprincipleandtheCMOSprocessing,thisdesigncanworkunderthepowersupplyvoltagerangingbetween2V～4Vandawideoperatingtemperaturerange:-25℃～125℃.Italsocontainstheautomaticdetectionandprotectionabouttheunder-voltagelockoutandthermal-shutdownandbesides,thedead-timecircuitofH-bridgeandthecontrolfunctionofmotoranti-deatharedesignedtoimprovethemotor’sfunction.ThispaperstartsfromtheintroductionsofBrushlessDCmotormathematicalmodelanditsstartupcharacteristics,andthengivetheoveralldesignconceptoftheH-bridgedrivercircuit:Ithasplannedsomespecificfunctionmodulesandtheinterfacesbetweenthem;andfocusedonthedesignofstart-uptimecontrolcircuit,thePWMcontrolcircuit,theanti-death-pointcontrolcircuitandtheH-bridgespecificstructure;andthenanalyzedtheringoscillator,under-voltagelockoutandthermal-shutdowncircuitindetails.Afterthecompletionthedesignofspecificcircuit,itusesSpectresimulatorwhichintegratedinCadenceforcircuits’simulationsandresultsanalysisthroughtheCSMCm5.0CMOSprocessingtoverifytheaccuracyofdesign.Finally,thedesignofthewholecircuits’layoutandpostsimulationsafterDRC,EXTandLVSprocessarecompletedandtheresultsmeettheperformancerequirements.Keywords:CMOSprocessing,H-bridgedrive,thePWMcontrol,start-uptimecontrolcircuit,dead-time,under-voltagelockout,thermal-shutdown南京邮电大学全日制工程硕士研究生学位论文目录Ⅲ目录摘要....................................................................................................................................................ⅠAbstract..............................................................................................................................................Ⅱ目录....................................................................................................................................................Ⅲ第一章引言........................................................................................................................................11.1无刷直流电机概述.................................................................................................................11.1.1无刷直流电机发展概况...............................................................................................11.1.2无刷直流电机基本结构及工作原理...........................................................................21.2无刷直流电机控制技术概述.................................................................................................31.2.1无刷直流电机的驱动控制电路...................................................................................31.2.2无刷直流电机的控制方式...........................................................................................41.2.3无刷直流电机的无位置传感器控制...........................................................................41.3本论文的主要内容.................................................................................................................4第二章驱动控制电路原理分析与设计...........................................................