【摘 要】
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作为最早被人类认识的物理现象之一,磁现象是普遍存在且多种多样的。要想认识和解释许多生活中的物理现象和过程,都必须考虑磁力这一重要因素。因此,作为研究磁现象的重要技术,磁场检测技术在漫长的发展中得到了广泛的应用。在目前较为常见的磁场检测系统中,基于霍尔效应的磁场检测系统凭借其在成本、功耗、线性范围以及集成度等方面的优秀整体表现,被广泛应用于国防科技、汽车电子、工业控制和消费电子中。然而,随着现代半导
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作为最早被人类认识的物理现象之一,磁现象是普遍存在且多种多样的。要想认识和解释许多生活中的物理现象和过程,都必须考虑磁力这一重要因素。因此,作为研究磁现象的重要技术,磁场检测技术在漫长的发展中得到了广泛的应用。在目前较为常见的磁场检测系统中,基于霍尔效应的磁场检测系统凭借其在成本、功耗、线性范围以及集成度等方面的优秀整体表现,被广泛应用于国防科技、汽车电子、工业控制和消费电子中。然而,随着现代半导体技术的迅速发展,越来越多的应用在电磁干扰（EMI）、可靠性以及精度等方面都提出了更高的要求。因此,本文以基于霍尔效应的磁场检测系统中的电源管理模块——降压型DC-DC转换器和磁场检测模块——线性霍尔传感器为研究对象,详细分析了其在以上三方面特性受到限制的原因,并针对性地提出了具体解决方案。本文的主要研究内容与创新成果总结如下。1.传统固定导通时间（COT）模式的降压型DC-DC转换器存在以下两点不足:a)开关频率会跟随负载电流发生很大的变化;以及b)具有低等效串联电阻（ESR）的输出电容会破坏系统的稳定性。针对这两个问题,本文提出一种基于基准补偿和频率补偿（RFC）的控制技术,并将其应用在了使用低ESR输出电容的固定导通时间模式降压型DC-DC转换器中。通过该技术,在使用低ESR输出电容且不增加外围器件的情况下,转换器可以稳定地工作并很好地抑制开关频率的变化。本文所提出的基于基准补偿和频率补偿的固定导通时间模式降压型DC-DC转换器采用0.25μm BCD工艺制造,测试结果表明,在低ESR陶瓷输出电容的应用条件下,该转换器在高达6A的负载范围内均可稳定工作,并且将开关频率随负载电流的变化限制在3.8KHz/A。从而,转换器抑制EMI的能力得到了很大改善。该研究成果发表在了IEEE TIE期刊上。2.传统峰值电流模式（PCM）的降压型DC-DC转换器中,为了保证转换器在各种负载状态下的稳定工作,通常需要使用两个电感电流采样信号并将其在三个独立的比较器中进行处理。这些独立的采样电流和比较器不仅消耗大量的静态电流和芯片面积,而且不能保证电流限制阈值的准确性。针对这个问题,本文提出了一种基于多路脉宽调制（MPWM）比较器的控制技术,并将其应用在了峰值电流模式降压型DCDC转换器中。通过该技术,转换器只需一个采样电流和一个比较器即可处理电感电流信息并完成各种负载状态下转换器的调节,同时大大提高电流限制阈值的精度。本文所提出的基于多路脉宽调制比较器的峰值电流模式转换器采用0.18μm BCD工艺制造,测试结果表明,该转换器在5A负载范围内工作正常,并且在-40～125℃的温度范围和高达60V的输入电压范围内,电流限制阈值仅仅变化8.1%。从而,转换器的可靠性得到了显著增强。该研究成果发表在了IEEE TIE期刊上。3.传统线性霍尔传感器的灵敏度精度和静态输出电压精度主要受制于以下两方面因素:a)霍尔盘的特性会受到失调电压和温度的影响;以及b)信号处理电路的特性会受到失调电压和噪声的影响。针对这两个问题,本文首先提出一种基于集成解调运放（IDOP）的斩波稳定技术,并结合旋转电流技术对霍尔盘和整个信号处理电路通路进行完整的低失调低噪声处理;其次提出一种数字温度补偿（DTC）技术进一步降低温度对静态输出电压以及灵敏度的影响。本文将基于集成解调运放和数字温度补偿的控制技术应用在了线性霍尔传感器中,并采用0.18μm BCD工艺流片验证。测试结果表明,在保证传感器响应速度和带宽前提下,传感器的静态输出电压在-40～150℃的温度范围内仅仅变化5.6m V,同时灵敏度的变化也被减小至1.34%。从而,霍尔传感器的灵敏度精度以及静态输出电压精度得到了很大提高。总的来说,本文的主要创新性工作在于提出基于基准补偿和频率补偿的控制技术、基于多路脉宽调制比较器的控制技术以及基于集成解调运放和数字温度补偿的控制技术。实验结果证实其能够在基于霍尔效应的磁场检测系统中发挥显著的抑制EMI、增强可靠性以及提高精度的作用。
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