基于n通道和p通道m(xù)osfet的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)，涉及一種音圈電機的驅(qū)動系統(tǒng)，解決現(xiàn)有采用高壓領(lǐng)域的集成橋驅(qū)動器存在資源浪費，且導(dǎo)致電機無法工作等問題，主要是針對音圈電機工作電壓較低工作頻率高的特點，采用兩個N通道和兩個P通道MOSFET及相關(guān)器件組成H橋電機驅(qū)動電路。該發(fā)明采用邏輯電路避免出現(xiàn)上電時橋的上下臂導(dǎo)通，采用高速CCD驅(qū)動器輸出高頻強驅(qū)動信號；根據(jù)N和P通道MOSFET的開通及關(guān)閉時間不同的特點，控制器輸出的驅(qū)動邏輯信號避免了在動態(tài)變化過程中上下臂同時導(dǎo)通；另外對驅(qū)動系統(tǒng)上電順序進行了規(guī)定。本發(fā)明避免在音圈電機的動態(tài)驅(qū)動過程中驅(qū)動橋的上下臂導(dǎo)通功耗增大。
【專利說明】基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種音圈電機的驅(qū)動系統(tǒng)，具體涉及一種航天應(yīng)用滿足高可靠性要求 的音圈電機尚速驅(qū)動系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，頻帶要求較高的快速控制反射鏡大多采用壓電陶瓷驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)諧振頻率 可以高達幾百，甚至上千赫茲，但所需的驅(qū)動電壓一般要幾百伏，并且驅(qū)動器的行程小，一 般只有十幾到幾十微米。而音圈電機的行程比壓電陶瓷高出兩個數(shù)量級，驅(qū)動電壓通常低 于二十伏。音圈電機（VCM)是通過考慮揚聲器是由根據(jù)在揚聲器的音圈中流動的音頻電流 和由永磁體產(chǎn)生的磁力之間的弗萊明左手定則所產(chǎn)生的力來回振動的事實開發(fā)的。直流電 機或者步進電機進行旋轉(zhuǎn)運動，然而，音圈電機能進行短距離直線往復(fù)運動，因而音圈電機 可用于快速控制反射鏡。
[0003] 現(xiàn)今的電機集成橋驅(qū)動器如IR2130功能強大，但通常是針對高壓如最高可達 600V的領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，橋驅(qū)動器的工作電壓不低于12V，還需要采用外部電容進行H橋柵極電 壓的自舉升壓，當(dāng)電容參數(shù)選擇不合理，可能導(dǎo)致電機無法工作甚至造成損壞。對應(yīng)快速控 制反射鏡，需要的力矩小，工作電壓較低如5V，使用應(yīng)用于高壓領(lǐng)域的集成橋驅(qū)動器不僅存 在資源浪費，還可能出現(xiàn)因反饋電壓過低導(dǎo)致芯片出現(xiàn)保護而無法工作，而且采購滿足航 天應(yīng)用要求的低壓應(yīng)用產(chǎn)品困難，因此需要對音圈電機的驅(qū)動電路進行精細設(shè)計。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有采用高壓領(lǐng)域的集成橋驅(qū)動器存在資源浪費，且導(dǎo)致電機無法 工作等問題，提供一種基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)。
[0005] 基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)，包括控制器、組合邏輯保 護電路、集成驅(qū)動器和H橋驅(qū)動電路；所述控制器輸出四路邏輯信號Ain、Bin、Cin和Din經(jīng) 組合邏輯保護電路處理后形成四路驅(qū)動邏輯信號A、B、C和D，將所述四路驅(qū)動邏輯信號A、 B、C和D送入集成驅(qū)動器進行功率放大，獲得四路驅(qū)動信號A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF， 所述四路驅(qū)動信號A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF用于驅(qū)動H橋驅(qū)動電路，所述H橋驅(qū)動電 路通過對所述四路驅(qū)動信號的高低電平和占空比進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對音圈電機的方向和速度 的控制；所述組合邏輯保護電路輸出的四路驅(qū)動邏輯信號要求滿足以下條件：驅(qū)動邏輯信 號A和C相位相反，驅(qū)動邏輯信號B和D正脈沖寬度小于A和C的正脈沖寬度；所述驅(qū)動邏 輯信號B上升沿滯后驅(qū)動邏輯信號A的上升沿，驅(qū)動邏輯信號D的上升沿滯后驅(qū)動邏輯信 號C的上升沿，且滯后的時間大于P型MOSFET從導(dǎo)通到截止的時間，所述驅(qū)動邏輯信號B 的下降沿超前驅(qū)動邏輯信號A的下降沿，驅(qū)動邏輯信號D的下降沿超前驅(qū)動邏輯信號C的 下降沿，且超前的時間大于N型MOSFET從導(dǎo)通到關(guān)斷的過渡時間。
[0006] 本發(fā)明的有益效果：
[0007] 一、本發(fā)明通過嚴(yán)格的上電順序要求和組合邏輯保護電路，避免上電時出現(xiàn)驅(qū)動 橋的上下臂導(dǎo)通功耗增大，燒毀器件。
[0008] 二、本發(fā)明通過使用P型和N型MOSFET的組合，兩種類型的MOSFET的源極都為固 定電壓，柵極的控制信號僅需要較小的幅度（大于門限電壓）即可實現(xiàn)驅(qū)動。
[0009] 三、本發(fā)明通過對控制器輸出的四路驅(qū)動邏輯信號進行限定，避免在音圈電機的 動態(tài)驅(qū)動過程中驅(qū)動橋的上下臂導(dǎo)通功耗增大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)中音 圈電機驅(qū)動系統(tǒng)框圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)中H 橋驅(qū)動電路原理圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)中組 合邏輯保護電路原理圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0013] 一、結(jié)合圖1至圖3說明本實施方式，基于N通道和P通道MOSFET 的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)，包括控制器、組合邏輯保護電路、集成驅(qū)動器和H橋驅(qū)動電路； 其特征是，所述控制器輸出四路邏輯信號Ain、Bin、Cin和Din經(jīng)組合邏輯保護電路處理后 形成四路驅(qū)動邏輯信號A、B、C和D，將所述四路驅(qū)動邏輯信號A、B、C和D送入集成驅(qū)動器 進行功率放大，獲得四路驅(qū)動信號A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF，所述四路驅(qū)動信號A_BUF、 B_BUF、C_BUF和D_BUF用于驅(qū)動H橋驅(qū)動電路，所述H橋驅(qū)動電路通過對所述四路驅(qū)動信 號的高低電平和占空比進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對音圈電機的方向和速度的控制；所述驅(qū)動邏輯信 號A和C相位相反，驅(qū)動邏輯信號B和D正脈沖寬度小于A和C的正脈沖寬度；
[0014] 本實施方式中所述的驅(qū)動邏輯信號B上升沿滯后驅(qū)動邏輯信號A的上升沿（對應(yīng) 圖3中n個非門的延遲時間+1個與門的延遲時間），驅(qū)動邏輯信號D的上升沿滯后驅(qū)動邏 輯信號C的上升沿，且滯后的時間大于P型MOSFET從導(dǎo)通到截止的時間，所述驅(qū)動邏輯信 號B的下降沿超前驅(qū)動邏輯信號A的下降沿（對應(yīng)圖3中n個非門的延遲時間一1個與門 的延遲時間），驅(qū)動邏輯信號D的下降沿超前驅(qū)動邏輯信號C的下降沿，且超前的時間大于 N型MOSFET從導(dǎo)通到關(guān)斷的過渡時間。
[0015] 結(jié)合圖2說明本實施方式，圖2為本發(fā)明所使用的H橋驅(qū)動電路，由兩組推拉結(jié)構(gòu) 的N通道MOSFET和P通道MOSFET以及四個續(xù)流二極管組成。H橋驅(qū)動電路的工作電壓可 根據(jù)電機和負載特性選取，設(shè)定不超過15V。H橋驅(qū)動電路的高壓為VCC (VCC < 15)，低壓為 0,對于音圈電機，一種控制方法是控制器輸出的四個TTL電平的控制信號，其中對應(yīng)A_BUF 和C_BUF的輸入控制信號Ain和Cin完全相反，為避免H橋上每臂上兩MOSFET同時導(dǎo)通， 留出死區(qū)時間，規(guī)定對應(yīng)B_BUF和D_BUF的輸入控制信號Bin和Din正脈沖寬度分別小于 A_BUF和C_BUF的正脈沖寬度Ain和Cin，則此時音圈電機線圈在兩方向上的通電時間分別 由對應(yīng)B_BUF和D_BUF的輸入控制信號Bin和Din正脈沖寬度決定。
[0016] 根據(jù)N和P通道MOSFET的工作特性，對于N通道M0SFET，當(dāng)柵極高于源極門限電 壓即可實現(xiàn)導(dǎo)通，考慮到可靠性，集成驅(qū)動器輸出的低電平為低于（門限電壓- 1)V， 可直接設(shè)置為0V，輸出的高電平高于（門限電壓（Vthn)+1)即可；對于P通道MOSFET，當(dāng)柵極 低于源極門限電壓即可實現(xiàn)導(dǎo)通，考慮到可靠性，集成驅(qū)動器輸出的高電平設(shè)置為VCC，輸 出的低電平低于（VCC - Vthn - 1)即可。這樣，可根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)定供電電源電壓VCC(高 于M0SFET的門限電壓，通常為4V)的值，而且不需要使用外部電容來進行自舉升壓，更不需 要和電機的電抗參數(shù)進行匹配，降低了設(shè)計難度。
[0017] 結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式中采用組合邏輯電路，其作用是避免上電 時由于控制器的輸出端處于邏輯不確定狀態(tài)或者控制器處理邏輯錯誤從而出現(xiàn)驅(qū)動橋的 上下臂導(dǎo)通。輸出的脈沖寬度的表達式如式（1)所示，通過組合邏輯電路的互斥功能保證 輸出的A與B、C和D不同時為高，而且利用門電路的延遲功能，可給H橋驅(qū)動電路留出足夠 的死區(qū)時間。

【權(quán)利要求】
1. 基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)，包括控制器、組合邏輯保護 電路、集成驅(qū)動器和H橋驅(qū)動電路；其特征是，所述控制器輸出四路邏輯信號Ain、Bin、Cin 和Din經(jīng)組合邏輯保護電路處理后形成四路驅(qū)動邏輯信號A、B、C和D，將所述四路驅(qū)動邏 輯信號A、B、C和D送入集成驅(qū)動器進行功率放大，獲得四路驅(qū)動信號A_BUF、B_BUF、C_BUF 和D_BUF，所述四路驅(qū)動信號A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF用于驅(qū)動H橋驅(qū)動電路，所述H 橋驅(qū)動電路通過對所述四路驅(qū)動信號的高低電平和占空比進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對音圈電機的方 向和速度的控制； 所述組合邏輯保護電路輸出的四路驅(qū)動邏輯信號要求滿足以下條件： 驅(qū)動邏輯信號A和C相位相反，驅(qū)動邏輯信號B和D正脈沖寬度小于A和C的正脈沖 寬度； 所述驅(qū)動邏輯信號B上升沿滯后驅(qū)動邏輯信號A的上升沿，驅(qū)動邏輯信號D的上升沿 滯后驅(qū)動邏輯信號C的上升沿，且滯后的時間大于P型MOSFET從導(dǎo)通到截止的時間，所述 驅(qū)動邏輯信號B的下降沿超前驅(qū)動邏輯信號A的下降沿，驅(qū)動邏輯信號D的下降沿超前驅(qū) 動邏輯信號C的下降沿，且超前的時間大于N型MOSFET從導(dǎo)通到關(guān)斷的過渡時間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)，其特 征在于，所述四路邏輯信號Ain、Bin、Cin和Din與四路驅(qū)動邏輯信號A、B、C和D的關(guān)系為 如下：式中n為大于等于1的正整數(shù)； A = Ain B的正脈沖寬度為Ain和Bin相與后的正脈沖縮短2n倍非門的延時時間 〇 C = Cin D的正脈沖寬度為Cin和Din相與后的正脈沖縮短2n倍非門的延時時間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)，其特 征在于，所述的H橋驅(qū)動電路，由兩組推拉結(jié)構(gòu)的N通道MOSFET和P通道MOSFET以及四個 續(xù)流二極管組成；H橋驅(qū)動電路的工作電壓根據(jù)電機和負載特性選取，設(shè)定不超過15V。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)，所述 H橋驅(qū)動電路的供電電源電壓為VCC，且VCC小于等于15V ;對應(yīng)N型的MOSFET管，集成驅(qū) 動器輸出驅(qū)動信號低電平為0V，高電平為Vthn +1，所述Vthn為N型MOSFET的門限電壓；對 應(yīng)P型的MOSFET管，集成驅(qū)動器輸出驅(qū)動信號低電平為VCC-Vthp-l，高電平與H橋驅(qū)動電路 的供電電源電壓相同，所述Vthp為P型MOSFET的門限電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈電機高速驅(qū)動系統(tǒng)，其 特征在于，該驅(qū)動系統(tǒng)的上電順序為：外部的主控系統(tǒng)進行控制器、組合邏輯保護電路和集 成驅(qū)動器的上電，檢測到控制器、組合邏輯保護電路和集成驅(qū)動器的工作電壓偏差均小于 5%，并且控制器與主控系統(tǒng)通信，以及集成驅(qū)動器輸出使MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)的固定邏 輯電平時，進行H橋驅(qū)動電路的上電。
【文檔編號】H02P31/00GK104506115SQ201410719907
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】余達, 劉金國, 周懷得, 趙瑩, 陳佳豫, 曹金, 孫繼明 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所