本論文對單相無刷風扇馬達進行研究，並以聯電0.5微米、兩層poly、三層metal、n型井、CMOS製程，來實現一個應用於筆記型電腦中的微型風扇馬達驅動電路晶片。本論文中的驅動電路使用的是H-Bridge內建功率電晶體架構，並以外接電容的方式來實現脈波寬度調變速度控制機制。電路中包含一個具遲滯功能比較器及數位鎖死偵測與自動再啟動功能電路。並對個別功率電晶體做切換控制，以減少電流突波產生。

Single-phase brushless fan motor is investigated in this thesis and is fabricated by UMC 0.5 m double-poly, triple-metal, N-Well CMOS process for notebook micro fan motor applications. H-bridge and embedded power mos architecture are used in implemented driver circuit, and an external capacitor is needed for pulse width modulation speed control. A comparator with hysteresis and digital lock detection and auto self-restart function are also implemented in this thesis. Besides, in order to prevent the rush current in output stage, the switch operation of power mos transistors are controlled individually.

中文摘要........................................I
英文摘要.......................................II
致謝..........................................III
目錄...........................................IV
圖列...........................................VI
表列...........................................XI


第一章 緒論....................................1
1.1研究動機與目的.....................................1
1.2研究背景與發展現況.................................2
1.3內容大綱...........................................3
第二章 系統架構與操作原理......................4
2.1單相直流無刷風扇馬達構造.....................4
2.2霍爾感測器...................................6
2.3驅動電路架構.................................8
2.4風扇馬達系統整體架構.........................9

第三章 驅動電路控制原理.......................11
3.1鎖死偵測與自動再啟動機制....................11
3.2脈波寬度調變速度控制方法....................14
3.3輸出級功率電晶體控制方法....................18
3.4系統工作流程................................21
第四章 積體電路設計概論與流程.................22
4.1概論........................................22
4.2積體電路設計流程............................24
第五章 電路分析與設計.........................29
5.1供應電源無關偏壓電路........................29
5.2具遲滯功能比較器............................32
5.3震盪器......................................44
5.4鎖死偵測與自動再啟動電路....................46
5.5頻率產生器..................................48
5.6輸出級控制電路..............................49
第六章 設計結果與晶片驗證.....................53
6.1電路模擬結果................................53
6.2晶片佈局....................................64
6.3測試結果....................................66
第七章 結論...................................81

參考文獻.......................................82


圖 2-1 單相直流無刷風扇馬達示意圖與實體圖..................4
圖 2-2 不平均氣隙單相四極馬達..............................5
圖 2-3 霍爾效應原理........................................6
圖 2-4 驅動晶片電路方塊圖..................................8
圖 2-5 風扇馬達整體系統架構圖..............................9
圖 2-6 主機板CPU散熱風扇與監控IC關係圖..................10
圖 3-1 傳統類比鎖死偵測與自動再啟動電路...................12
圖 3-2 傳統類比鎖死偵測與自動再啟動電路波形時序...........12
圖 3-3 數位鎖死偵測與自動再啟動電路.......................13
圖 3-4 數位鎖死偵測與自動再啟動電路波形時序...............14
圖 3-5 不同脈波寬度的數位信號.............................15
圖 3-6 H-Bridge架構PWM控制方法之一.....................16
圖 3-7 H-Bridge架構PWM控制方法之二.....................16
圖 3-8 外接電容PWM速度控制方法.........................17
圖 3-9 輸出級轉換起使狀態.................................18
圖 3-10 輸出級轉換過程之一................................19
圖 3-11 輸出極轉換過程之二................................19
圖 3-12 輸出級轉換過程之三................................20
圖 3-13 輸出級轉換過程之四................................20
圖 3-14 系統工作流程圖....................................21
圖 4-1 產品設計生產流程...................................23
圖 4-2 製程分類...........................................25
圖 4-3 積體電路設計生產流程...............................28
圖 5-1 與供應電源無關偏壓電路.............................29
圖 5-2 包含啟動電路的完整供應電源無關偏壓電路.............31
圖 5-3 比較器電路符號.....................................32
圖 5-4 理想比較器轉換曲線與數學模式.......................32
圖 5-5 有限增益比較器轉換曲線與數學模式...................33
圖 5-6 輸入抵補電壓對比較器的影響.........................34
圖 5-7 比較器傳輸延遲時間.................................34
圖 5-8 兩級比較器直流分析.................................35
圖 5-9 差動對輸入級小信號分析.............................36
圖 5-10 增益級小信號分析..................................37
圖 5-11(a) 有雜訊輸入之無遲滯功能比較器輸出響應...........38
圖 5-11(b) 有雜訊輸入之有遲滯功能比較器輸出響應...........38
圖 5-12 比較器遲滯曲線....................................39
圖 5-13 外部正迴授電阻遲滯電路與遲滯曲線..................39
圖 5-14 內部遲滯電路分析之一..............................40
圖 5-15 內部遲滯電路分析之二..............................42
圖 5-16 完整具遲滯功能比較器電路..........................43
圖 5-17 震盪器電路........................................44
圖 5-18 以除頻器將時脈信號除頻............................45
圖 5-19(a) XNOR閘真值表.................................46
圖 5-19(b) 相位偵測電路...................................46
圖 5-20 相位偵測電路信號時序..............................47
圖 5-21 相位偵測電路與計數器..............................47
圖 5-22 頻率產生器........................................48
圖 5-23 輸出級控制電路....................................49
圖 5-24 輸出級控制電路分析之一............................50
圖 5-25 輸出級控制電路分析之二............................51
圖 5-26 輸出級控制電路分析之三............................52
圖 6-1 偏壓電壓與供應電源關係模擬結果.....................53
圖 6-2 參考電流與供應電源關係模擬結果.....................53
圖 6-3 偏壓電壓與溫度關係模擬結果.........................54
圖 6-4 參考電流與溫度關係模擬結果.........................54
圖 6-5 開迴路增益模擬結果.................................55
圖 6-6 比較器傳輸延遲模擬結果.............................55
圖 6-7 比較器遲滯電壓模擬結果.............................55
圖 6-8 ICMR 模擬結果.....................................56
圖 6-9 鎖死偵測電路模擬結果之一...........................57
圖 6-10 鎖死偵測電路模擬結果之二..........................58
圖 6-11 輸出級控制電路模擬之一............................59
圖 6-12 輸出級控制電路模擬之二............................59
圖 6-13 無PWM控制時全晶片模擬結果......................60
圖 6-14(a) 無PWM控制時全晶片電流波形模擬結果...........61
圖 6-14(b) 局部波形放大圖.................................61
圖 6-15(a) 有PWM速度控制時全晶片模擬結果...............62
圖 6-15(b) 局部波形放大圖.................................62
圖 6-16(a) 有PWM控制時電源電流波形.....................63
圖 6-16(b) 局部放大圖.....................................63
圖 6-17 馬達驅動晶片全晶片佈局完成圖......................65
圖 6-18 無PWM時馬達驅動晶片電流測試圖..................66
圖 6-19 有PWM時馬達驅動晶片電流測試圖..................67
圖 6-20 馬達驅動晶片電流與速度關係圖......................68
圖 6-21 馬達驅動晶片電流與PWM duty 關係圖...............68
圖 6-22 馬達驅動晶片速度與PWM duty 關係圖...............69
圖 6-23 馬達驅動晶片速度與不同PWM頻率關係圖............69
圖 6-24 馬達驅動晶片速度與供應電壓關係圖..................70
圖 6-25 Hall Input Sensitivity 量測電路.......................71
圖 6-26 Input Voltage 量測電路..............................72
圖 6-27 Input Current 量測電路.............................73
圖 6-28 Output Voltage 量測電路............................74
圖 6-29 Output Current 量測電路............................75
圖 6-30 FG輸出電流量測電路...............................76
圖 6-31 FG輸出低電壓量測電路.............................77
圖 6-32 FG輸出漏電流量測電路.............................78
圖 6-33 Turn On Time與Duty Ratio 量測電路.................79


表 6-1 比較器各項性能.....................................56
表 6-2 震盪器頻率模擬結果.................................57
表 6-3 全晶片信號真值表...................................64
表 6-4 電氣特性量測使用儀器...............................70
表 6-5 Hall Input Sensitivity 量測結果........................71
表 6-6 Input Voltage 量測結果...............................72
表 6-7 Input Current 量測結果..............................73
表 6-8 Output Voltage 量測結果.............................74
表 6-9 Output Current 量測結果.............................75
表 6-10 FG Output Current 量測結果........................76
表 6-11 FG Output Voltage Low 量測結果.....................77
表 6-12 FG Output Leakage Current 量測結果.................78
表 6-13 Turn On Time 量測結果.............................79
表 6-14 Duty Ratio 量測結果................................79
表 6-15 電氣特性量測結果與規格比較表......................80

[1] http://cm.nsysu.edu.tw/~cyliu/case/case2.html
[2] T. Kenjo, “Permanent-Magnet and Brushless DC Motors”, Caledon Press 1985
[3] J.S. Mayer, O. Wasynczuk “Analysis and Modeling of A Single-Phase Brushless DC Motor Drive System” 1989
[4] Byung-IlKwon, Byoung-YullYang, Seung-ChanPark and Young-SunJin “Novel Topology of Unequal Air Gap in a Single-Phase Brushless DC Motor” IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS 2001
[5] Masataka Nonaka “Motor Driving Device” United States Patent US 6,731,086” 2004
[6] http://www.phy.ntnu.edu.tw/~changmc/Article/hall_liquid.htm
[7] http://www.micronas.com/products/overview/sensors/index.php
[8]SITI 技術文件”11-FD172 Single Coil Brushless DC Motor Drivers”2003
[9]ROHM 技術文件”Single-Phase Full-Wave Motor Driver for Fan Motor” 2003
[10]Winbond技術文件”W83627THF CPU Monitor IC”2003
[11] FAIRCHILD 技術文件”FAN8461G Single Phase Full Wave BLDC Motor Driver” 2003
[12] 谷腰欣司 “馬達驅動電路技術” 2003
[13] TI技術文件” THMC45 5-V AND 3.3-V DC BRUSHLESS FAN
MOTOR DRIVER WITH SINGLE WIRE CONTROL” 2001
[14] Chip Implementation Center “Full Custom IC Design Training Manual” 2003
[15] UMC “0.5um Mixed-Mode 5V 2P3M P-Sub Poly Gox135 Process Topological Layout Rule” 2004
[16]鍾文耀 鄭美珠 “CMOS 電路模擬與設計使用 Hspice”
[17]Avant! “Start-Hspice Manual”1998
[18]Cadence “ELECTROMIGRATION FOR DESIGNERS”2002
[19] 唐經洲 王立洋 ”VLSI 設計概論/實習”
[20] Behzad Rezavi “Design of Analog CMOS Integrated Circuits”2004
[21] Phillip E. Allen Douglas R. Holberg “CMOS Analog Circuit Design Second Edition” 2002
[22]Franco Maloberti “Analog Design for CMOS VLSI Systems”2001