一种用于电机驱动的电荷泵电路的制作方法

本发明属于模拟集成电路设计领域，具体涉及一种用于电机驱动的电荷泵电路。

背景技术：

1、电荷泵是一种利用电容存储电荷的dc—dc变换器，常作为各种直流电机和交流电机驱动电路的电源。在电机驱动电路中，常采用h桥驱动电机，为了减小导通电阻，驱动电机的h桥通常采用n型ldmos功率器件，所以上桥臂n型功率管需要一个比电机电源电压高的栅极电压来驱动。

2、在高压电机驱动电路中，常采用电荷泵进行升压，从而为上桥臂提供一个比电机电源电压高的驱动电压，该电压需要保证功率管完全导通且不能超过功率管的栅源耐压值(薄栅氧器件栅源耐压约5.5v)。现有高压电荷泵电路中存在较多高压器件，同时，为了保证电荷泵输出电压具有较小的纹波，泵电容的容值一般较大，而耐高压的电容一般单位容值较小，因此该电容的面积较大，增加电路的成本。常用电荷泵的简化结构如图1所示：图1主要包括pmos管pm1、pm2，nmos管nm1、nm2，泵电容c。pmos管和nmos管均为高压器件。vm为电机电源，vdd为逻辑电源(不超过5.5v)，vcp为电荷泵输出。clk1～clk4为vdd电压域的非交叠时钟信号。

3、电平转换电路101～103分别对时钟信号clk1、clk2、clk4进行电压域转换，实现mos管pm1、pm2、nm2完全导通或关断。

4、mos管pm1、pm2和nm1、nm2作为电荷泵的开关器件，在时钟信号clk1～clk4的控制下交替导通，实现升压功能，电荷泵输出为vm+vdd。

5、传统电荷泵工作过程：当clk1～clk4为高电平时，nm1和nm2导通，pm1和pm2关断，泵电容c的下极板连接到地，上极板连接到vdd，电源vdd给泵电容c充电，使得泵电容c两端的压差为vdd。当clk1～clk4为低电平时，nm1和nm2关断，pm1和pm2导通，泵电容c的下极板连接到电源vm，上极板连接到电荷泵输出vcp。泵电容c的下极板电压由0跳变到vm，由于电容两端的压差不会突变，因此，泵电容c的上极板电压跳变为vm+vdd。如此循环反复，在时钟信号clk1～clk4的控制下，nm1、nm2和pm1、pm2交替导通，输出电压vcp稳定在vm+vdd左右，电容c两端压差为vdd。

6、在现有的电荷泵电路中，通过时钟控制mos开关管的交替导通实现升压功能。而要使开关mos管能完全导通和关断，且其栅源压差不超过器件耐压，其栅极控制信号的高低电平需要满足一定的要求。对于pm1来说，栅极控制信号的高电平为vm，低电平为vm-δv；对于pm2来说，栅极控制信号的高电平为vcp，低电平为vcp-δv；对于nm1来说，高电平为vdd，低电平为gnd；对于nm2来说，高电平为vdd+δv，低电平为vdd。其中δv不超过5.5v。因此，非交叠时钟信号需经过电平转换电路101～103分别进行不同电压域的转换，电路复杂度较高。且mos管nm1、nm2和pm1、pm2均为高压器件，会增大电路面积。另外传统电荷泵只有半个时钟周期对泵电容c进行充电，另外半个周期输出，效率较低。为了减小输出纹波，需要在输出端vcp与电机电源vm之间连接较大容值的电容，该电容通常采用片外电容，因此需要增加输出管脚。综上，电平转换电路、高压开关mos管和vcp输出管脚均会增加电荷泵电路的面积，进而提高的电机驱动类芯片的设计成本。同时，还需要片外电容，增加了外围电路复杂度。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于电机驱动的电荷泵电路以期能解决现有电荷泵中使用高压器件较多，电路面积较大，电路设计成本高的问题，拓宽电荷泵在高压电路系统中的应用。

2、本发明的技术方案如下：一种用于电机驱动的电荷泵电路，包括浮动地产生电路、时钟产生电路及泵电路，所述的浮动地产生电路，包括常压器件pm1和pm2、高压器件hpm1、电阻r1和r2、电容c1～c3以及恒流源i0。电源vm与pmos管pm1、pm2源极相连，pm1栅极与其漏极短接，电阻r1一端与pm1漏极连接，另一端与恒流源i0正端连接，恒流源负端连接gnd。pm2栅极与pm1栅极连接，漏极与hpm1源极连接，hpm1栅极与恒流源i0正端连接，漏极与gnd相连，电容c1上极板与电源vm连接，下极板与pm1栅极及漏极连接；电容c2上极板与电容c1下极板连接，下极板与hpm1栅极连接；电容c3上极板与电源vm连接，下极板与pm2漏极连接；电阻r2一端与电源vm连接，另一端与pm2漏极相连，相交于gnd_f，浮动地产生电路产生一个随电机电源vm变化的浮动地gnd_f，电机电源vm和浮动地gnd_f分别作为时钟产生电路的电源和地，时钟产生电路包括振荡器和非交叠电路，振荡器产生一个高电平为vm，低电平为gnd_f的时钟信号clk，经非交叠电路产生四路非交叠时钟clk1～clk4，提供给泵电路。

3、作为优选，所述泵电路包括四个nmos开关器件nm1～nm4和两个pmos开关器件pm1、pm2，四个泵电容c1～c4和一个输出电容c5，非交叠时钟clk1～clk4用于控制泵电路工作，pm1、nm1、nm4和pm2、nm2、nm3在时钟的控制下交替导通。电荷泵输出电压vcp与pmos管pm1、pm2的源极相连，pm1栅极与pm2的漏极、nm2的栅极、nm4的漏极以及电容c2的上极板连接至b点，pm1漏极与pm2栅极、nm1栅极、nm3漏极以及电容c1上极板连接至a点；nm1、nm2、nm3、nm4的源极与电机电源vm相连。nm1的漏极与nm3的栅极及c3的上极板连接至c点，nm2的漏极与nm4的栅极及c4的上极板连接至d点；电容c1、c2、c3、c4的下极板分别与时钟控制信号clk1、clk2、clk3和clk4相连，电容c5上极板与电荷泵输出电压vcp连接，下极板与电机电源vm相连。

4、作为优选，所述pmos管pm1、pm2，nmos管nm1～nm4均为常压器件，电容c1～c5为常压电容。

5、作为优选，所述电容c1～c5可选用mos电容。

6、本发明的用于电机驱动的电荷泵电路，采用浮动地产生电路，产生一个可随vm变化的浮动地gnd_f。vm和gnd_f分别作为时钟产生电路的电源和地，直接产生一个vm～gnd_f电压域的时钟信号，提供给泵电路用于控制电荷泵电路的开关，不需要经过电平转换电路。与传统使用电平转换电路对时钟信号进行升压相比，电路结构简单，可适用的电源电压范围更广，并且时钟信号不会出现较大延迟，减少了能量损耗，还可以使用更高频率的时钟，使电荷泵输出更稳定，具有较低的输出纹波。同时，由于vm与gnd_f的压差不超过5.5v，时钟产生电路可使用常压管进行设计。

7、本发明的电荷泵电路，在时钟信号的整个周期内对电荷泵输出vcp均有电荷补充，相比传统结构具有较小的输出纹波，输出端vcp与电机电源之间所需的电容容值较小，可使用片内电容实现，节省了输出管脚及片外电容。

8、本发明的电荷泵电路，泵电路仅采用6个常压开关mos管，4个泵电容和一个输出电容，电路结构简单。并且泵电容和输出电容两端的压差始终为低压，能使用单位容值较大的两端低耐压的电容，用更小的面积即可实现所需的容值，降低芯片成本。

9、本发明的电荷泵电路，仅在浮动地产生电路中使用一个高压管，其余均为常压器件，芯片面积较小。

10、本发明不仅仅适用所举例的电荷泵电路中，可适用于一切符合本发明需求的电子电路中。