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博碩士論文 etd-0719105-104334 詳細資訊
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論文名稱
Title
單相全波風扇馬達驅動晶片之設計
The design of single phase full wave fan motor driver IC
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
83
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2005-06-26
繳交日期
Date of Submission
2005-07-19
關鍵字
Keywords
馬達、風扇、晶片
motor driver, hall sensor, IC
統計
Statistics
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中文摘要
本論文針對小型無刷直流馬達,提出馬達驅動晶片的電路架構,發展出結合類比、數位的混合式無刷直流馬達控制技術,並以此實現風扇馬達驅動晶片。此馬達驅動晶片以類比方式控制,為防止不正常的情況發生時,導致晶片或馬達燒毀,所以需再增加數位部分的電路來保護。因其要應用在筆記型電腦散熱風扇上以及驅動電阻值很小的馬達,所以本馬達驅動晶片為低電壓設計並擁有高驅動能力的輸出級;最後藉由霍爾感測器得到的迴授信號通知馬達驅動晶片,以提供相對應的電流給定子繞線,實現了控制馬達的目的。
Abstract
This research proposes the architecture of motor driver IC for the application of small BLDC motors. Both analog and digital mixed-mode techniques are employed here to design BLDC fan motor driver IC. The controlling method of this motor driver IC mainly utilizes analog approach. Besides, in order to prevent any damages on motors due to abnormal operations, digital control circuit is also involved in this IC. This motor driver IC is used in heat-sinking fan on notebooks as well as on the motors with very small impedance, so the IC is designed to be able to work in low supply voltage, and has high driving capability at the output stage. Via the feedback signal generated by the Hall sensor, it controls the motor driver IC so that the IC can supply current accordingly to stator coil. Therefore, the purpose of controlling motors is then achieved.
目次 Table of Contents
中文摘要……………………………………………………...Ⅰ
英文摘要……………………………………………………...Ⅱ
致謝…………………………………………………………...Ⅲ
目錄……………………………………………………...........Ⅳ
圖列……………………………………………………...........Ⅶ
表列……………………………………………………...........Ⅹ

第一章 緒論…………………………………………………...1
1.1 研究背景和動機……………………………………………….1
1.2 馬達之選擇………………………………………………….....2
1.3 論文架構……………………………………………………….4

第二章 無刷直流馬達與系統應用…………………………...5
2.1 無刷直流馬達之構造………………………………………....5
2.2 無刷直流馬達動作原理……………………………………....7
2.3 無刷直流馬達轉子位置檢測方式…………………………....9
2.4 馬達驅動IC之應用電路與方塊圖………………………….11

第三章 馬達驅動IC的設計流程與輸出級控制……………15
3.1 IC簡介….…………………………………………………….15
3.2 IC的設計方法與種類……………………………………….17
3.3 IC產品的製作流程………………………………………….19
3.4 馬達驅動IC的設計流程……………………………………23
3.5 馬達驅動IC輸出級的控制…………………………………28

第四章 馬達驅動IC設計與分析…………………………31
4.1 偏壓電路……………………………………………………..31
4.2 震盪器………………………………………………………..33
4.3 遲滯比較器…………………………………………………..36
4.4 鎖死保護電路………………………………………………..42
4.5 低電壓重置電路……………………………………………..44
4.6 過熱保護電路………………………………………………..45
4.7 霍爾偏壓電路………………………………………………..48
4.8 輸出級放大器………………………………………………..49

第五章 驅動IC電路模擬結果………………………60
5.1 電路模擬方法與結果………………………………………..60
5.2 偏壓電路模擬結果……………..……………………………60
5.3 震盪器模擬結果…..…………………………………………61
5.4 遲滯比較器模擬結果………………………………..………61
5.5 鎖死保護電路模擬結果………………………………..……64
5.6 低電壓重置電路模擬結果………..…………………………65
5.7 過熱保護電路模擬結果…………..…………………………66
5.8 霍爾偏壓電路模擬結果……………………..……………66
5.9 輸出級放大器模擬結果………..…….……………………67

第六章 結論………………………………………………….70

參考文獻……………………………………………………...71

圖2.1 無刷直流風扇馬達(a)省空間的外轉子風扇馬達(b)內轉
子風扇馬達…………………………………………………………….5
圖2.2 定子四極的繞線方法………………………………………………….6
圖2.3 單相四極直流無刷馬達橫截面圖…………………………………….6
圖2.4 無刷直流馬達動作原理圖…………………………………………….8
圖2.5 霍爾感測器原理圖…………………………………………………….9
圖2.6 霍爾感測器B-VH特性圖…………………………………………….10
圖2.7 馬達驅動IC之應用電路……………………………………………...11
圖2.8 FG腳位設計圖…………………………………………………….....12
圖2.9 無刷直流馬達驅動IC功能方塊圖………………………….............14
圖3.1 IC的設計方法………………………………………………..............17
圖3.2 IC的產品分類………………………………………………..............18
圖3.3 IC產品的製作流程………………………………………..................19
圖3.4 馬達驅動IC的設計流程……………………………………….........23
圖3.5 加在輸入腳位上的靜電放電防護電路………………………...........26
圖3.6 無刷直流馬達的類比控制電路………………………………...........29
圖3.7 根據不同的霍爾輸入訊號產生的輸出訊號(a)(b)…………….30
圖4.1 偏壓電路……………………………………………….......................31
圖4.2 自偏電壓電路的兩個操作點………………………...........................32
圖4.3 震盪器電路圖………………………...................................................34
圖4.4 震盪器之時序圖……………………...................................................35
圖4.5 有雜訊輸入的比較器響應(a)沒有遲滯現象(b)有遲滯現
象……………………...........................................................................37
圖4.6 比較器之遲滯現象轉換特性曲線........................................................38
圖4.7 比較器在vin很大及M1接地,vin往負膝點電壓降低時的電
路圖………………...............................................................................39
圖4.8 比較器在vin很小及M1接地,vin往正膝點電壓增加時的電
路圖………………...............................................................................40
圖4.9 遲滯比較器的特性曲線圖...................................................................41
圖4.10 具有輸出級的內部遲滯的完整比較器……………………………..42
圖4.11 鎖住偵測和主動再轉動的示意圖…….…………………………….43
圖4.12 低電壓重置電路..................................................................................44
圖4.13 溫度有遲滯現象的過熱保護電路......................................................46
圖4.14 過熱保護電路……..............................................................................47
圖4.15 過熱保護電路的電壓和溫度關係圖………………………………..48
圖4.16 霍爾偏壓電路……..............................................................................49
圖4.17 二級式放大器的直流分析圖………………………………………..50
圖4.18 差動輸入級的小訊號分析圖………………………………………..51
圖4.19 第二級的主動負載共源放大器小訊號分析圖……………………..53
圖4.20 軌對軌的差動輸入級..........................................................................54
圖4.21 具AB類輸出級緩衝運算放大器…………………………………..55
圖4.22 使輸出轉態時的大電流消失的控制電路圖………………………..57
圖4.23 輸出訊號轉態時的電流控制圖(a)(b)(c)(d)(e)………….59
圖5.1 偏壓電路的參考電流源模擬圖………………………………………60
圖5.2 遲滯比較器的遲滯特性曲線模擬圖……...………………………….62
圖5.3 共模輸入的電路架構圖………………………………………………63
圖5.4 頻率響應的電路架構圖………………………………………………63
圖5.5 遲滯比較器的頻率響應模擬圖…....…………………………………64
圖5.6 鎖住保護開啟與關閉的時間關係圖…………………………………64
圖5.7 鎖住保護開啟與關閉的時間關係模擬圖……………………………65
圖5.8低電壓重置電路模擬圖….……………………………………………65
圖5.9 過熱保護電路的遲滯現象模擬圖……………………………………66
圖5.10 霍爾偏壓的電路架構圖……………………………………………..67
圖5.11 輸出級的電路架構圖………………………………………………..68
圖5.12 未加控制電流電路的輸出級模擬圖………………………………..68
圖5.13 加上控制電流電路的輸出級模擬圖………………………………..69

表2.1 無刷直流馬達驅動IC的腳位定義………………………………….12
表2.2 霍爾輸入訊號與FG輸出訊號真值表………………………………13
表3.1 CIC的軟體代理服務…………………………………………………21
表5.1 震盪器的模擬規格……………………………………………………61
表5.2 遲滯比較器的模擬規格………………………………………………62
表5.3 霍爾偏壓電路的模擬規格……………………………………………66
參考文獻 References
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