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作者：Shaun Milano，Allegro MicroSystems, ILC
摘要
振動(dòng)電機(jī)適用于手機(jī)、游戲操縱桿、手持式電子游戲機(jī)、尋呼機(jī)、牙刷及剃須刀等多種應(yīng)用。最令人感興趣的是手機(jī)市場(chǎng)，手機(jī)市場(chǎng) 2007 年的全球產(chǎn)量就已經(jīng)超過了 10 億部。手機(jī)市場(chǎng)推動(dòng)了微型振動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的創(chuàng)新。較小的手機(jī)要求電機(jī)僅占用很小的 PCB 面積并需要電機(jī)采用較薄的設(shè)計(jì)。手機(jī)中還采用了用于來電顯示振鈴及游戲應(yīng)用的電機(jī)。本文將討論 Allegro? MicroSystems A1442 無刷直流 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用的一種先進(jìn)的霍爾效應(yīng)技術(shù)，這種技術(shù)非常適合提供先進(jìn)的手機(jī)振動(dòng)電機(jī)功能。
振動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)
大多數(shù)振動(dòng)電機(jī)都包含一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)不平衡重物的小型電動(dòng)機(jī)，如圖 1 所示。
圖 1：硬幣型振動(dòng)電機(jī)。在防護(hù)外殼內(nèi)有一個(gè)相對(duì)較為扁平的偏心重物在旋轉(zhuǎn)。(1) 外殼；(2) 轉(zhuǎn)子底座；(3) 重物；(4) 軸。
電機(jī)分為直流 (DC) 有刷或無刷電機(jī)，有兩種基本的結(jié)構(gòu)：硬幣型（或扁平型）與圓柱形（或條形）。
圓柱形電機(jī)是采用傳統(tǒng)軸向設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單的有刷電機(jī)，如圖 2 所示。這種電機(jī)適用于多種應(yīng)用，但由于體積較大，不適合用在手機(jī)中。圓柱形電機(jī)需要占用手機(jī)較大的空間，其直徑通常是所有振動(dòng)電機(jī)中最大的。
圖 2：外部有一個(gè)垂直于柱體的旋轉(zhuǎn)重物的圓柱形（條形）振動(dòng)電機(jī)。
所有的有刷電機(jī)在電刷切換電機(jī)線圈內(nèi)的電流時(shí)都會(huì)在換相點(diǎn)產(chǎn)生火花。這些火花是寬帶射頻干擾 (RFI) 的最佳發(fā)射源。電刷會(huì)發(fā)生磨損，這是電機(jī)發(fā)生故障的一個(gè)主要原因。
對(duì)更小、更薄設(shè)計(jì)的需求促成了有刷電機(jī)技術(shù)在硬幣型電機(jī)中的應(yīng)用，如圖 3 所示。與電刷接觸的換相點(diǎn)可以為轉(zhuǎn)子中的電氣線圈提供電力。在為線圈提供電力時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)可以與集成在定子中的環(huán)形磁鐵相互作用，使線圈發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
如圖 3 所示，換相點(diǎn)以交變極性對(duì)的形式排列，當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈在通過換相點(diǎn)時(shí)不斷地改變極性。通過這種方式，電機(jī)以與外加電壓成正比的速度持續(xù)地旋轉(zhuǎn)。與圓柱形有刷電機(jī)的電刷相比，硬幣型設(shè)計(jì)中更為復(fù)雜的電刷的可靠性一般較差。
圖 3：硬幣型有刷振動(dòng)電機(jī)的部件分解圖。(1) 外殼頂部；(2) 轉(zhuǎn)子（安裝視圖）；(3) 轉(zhuǎn)子（倒視圖）；(4) 外殼底部；(5) 線圈；(6) 換相點(diǎn)；(7) 交流電源電路；(8) 環(huán)形磁鐵（展示了具有代表性的磁極區(qū)）；(9) 電源刷。
無刷振動(dòng)電機(jī)
如前所述，無刷電機(jī)具有較長(zhǎng)的壽命并且因產(chǎn)生的火花較少而消除了 RFI。BLDC 設(shè)計(jì)還可提供業(yè)內(nèi)直接最小、最薄的硬幣型電機(jī)。圖 4 介紹了這種電機(jī)的基本構(gòu)造。
圖 4：硬幣型無刷振動(dòng)電機(jī)的部件分解圖。電刷和換相觸點(diǎn)被一個(gè) Allegro MicroSystems A1442 霍爾效應(yīng)傳感器 IC 所取代，線圈遷移到了定子中。(1) 外殼頂部；(2) 轉(zhuǎn)子（安裝視圖）；(3) 轉(zhuǎn)子（倒視圖）；(4) 外殼底部；(5) 環(huán)形磁鐵（展示了具有代表性的磁極區(qū)）；(6) 偏心重物；(7) 線圈。
在這種設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子組件包含了磁鐵和能在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的重物。體積較大的線圈被移到了定子中并在定子中連接到控制 IC。
數(shù)字換相和線性軟開關(guān)可避免火花的產(chǎn)生，從而避免了 RFI 干擾。完全集成的 A1442 霍爾效應(yīng)器件和精密放大器通過可以確定適當(dāng)換相點(diǎn)的比較器電路連接到一個(gè)內(nèi)部全橋輸出端。圖 4 中電機(jī)的第三條線纜為可選件，它與 A1442 的啟用引腳相連，可用于控制主動(dòng)制動(dòng)與休眠功能。可以將 IC 引腳連接到 PCB 的 VCC 上，這樣就不需要使用這第三條線纜了。
A1442 是驅(qū)動(dòng)電機(jī)所必需的唯一的 IC。圖 5 所示的功能框圖闡述了器件的運(yùn)行和高級(jí)功能。請(qǐng)注意：在圖 4 和圖 5 中，由于采用了集成霍爾元件，省去了外部霍爾元件的需要，也減少了 A1442 所需的電機(jī) PCB 元件數(shù)量。唯一需要的外部元件是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電路配件——位于應(yīng)用電機(jī)安裝 PCB 上的 0.1 μF 的旁路電容器，它可以最大程度地降低在切換電源的電感負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的電壓峰值。
圖 5：A1442 BLDC 振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功能框圖。
軟開關(guān)與換相
當(dāng)器件通電時(shí)，它可以檢測(cè)到磁場(chǎng)并可以激活電橋。主動(dòng)晶體管根據(jù)磁極來設(shè)定。南極磁場(chǎng)激活輸出晶體管 Q1 和 Q4，驅(qū)動(dòng)電流從 VOUT1 流向 VOUT2。在北磁極接近時(shí)（由于旋轉(zhuǎn)），Q1 與 Q4 關(guān)閉，Q2 與 Q3 導(dǎo)通。這驅(qū)動(dòng)電流從 VOUT2 流向 VOUT1，從而逆轉(zhuǎn)了線圈內(nèi)的電流的流向。
電機(jī)的設(shè)計(jì)多種多樣，但最大 rpm 范圍為 9 000 至 15 000 rpm。大多數(shù)設(shè)計(jì)都采用了 4 極轉(zhuǎn)子磁鐵，少數(shù)設(shè)計(jì)使用了 6 極磁鐵。通過使用這些參數(shù)，可以利用下面的公式輕松地計(jì)算出換相開關(guān)頻率（fCS，Hz）：
fCS = RPM × PP / 60，
其中，PP 是磁極對(duì)的數(shù)量。對(duì)于轉(zhuǎn)速為 9 000 rpm 的 4 極磁鐵，fCS 為 300 Hz；對(duì)于轉(zhuǎn)速為 15 000 rpm 的 6 極磁鐵，fCS 為 750 Hz。因此，換相信號(hào)與線圈電流切換事件均發(fā)生在音頻范圍內(nèi)。軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)算法非常適用于通過逐漸降低線圈中的電流，然后逆轉(zhuǎn)電流流向來最大程度地降低因切換感應(yīng)電機(jī)線圈負(fù)載而產(chǎn)生的可聽噪聲與 EMI 的情況。圖 6 所示的時(shí)序圖說明了切換活動(dòng)的過程。
圖 6：A1442 BLDC 振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的時(shí)序圖。(1) A1442 感測(cè)到的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)；(2) 用于換相的霍爾電路內(nèi)部信號(hào)；(3) 全橋式激活信號(hào)；(4) A1442 輸出；(5) 感應(yīng)電機(jī)線圈電流。
主動(dòng)制動(dòng)、休眠模式與防空轉(zhuǎn)
Allegro A1442 集成了主動(dòng)制動(dòng)功能，可用于快速停止/啟動(dòng)循環(huán)。當(dāng)手機(jī)處于靜音模式時(shí)，快速停止/啟動(dòng)循環(huán)可用于該手機(jī)的振鈴和來電顯示；此外，快速停止/啟動(dòng)循環(huán)還可用于游戲應(yīng)用中。制動(dòng)功能可使用休眠 (/SLEEP) 引腳激活，如圖 5 所示。
在將一個(gè)低信號(hào)連接到休眠 (/SLEEP) 引腳時(shí)，A1442 將通過電機(jī)線圈逆轉(zhuǎn)輸出電橋的極性和電流方向，從而啟動(dòng)主動(dòng)制動(dòng)功能。逆轉(zhuǎn)電流方向和磁場(chǎng)所產(chǎn)生的影響是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可以反向旋轉(zhuǎn)電機(jī)的作用力，這個(gè)作用力可以迅速降低電機(jī)的速度。在制動(dòng)后，A1442 會(huì)關(guān)閉 IC 的活動(dòng)電路，從而進(jìn)入休眠模式。
在休眠模式下，IC 的電流消耗通常小于 1 μA。一般情況下，需要使用客戶 PCB 上的 FET 晶體管來開啟和關(guān)閉電機(jī)的電源，但在有休眠 (/SLEEP) 引腳時(shí)則不需要再使用 FET 晶體管；在這種情況下，可以將電機(jī)永久地連接到電池上。
如果電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，A1442 將啟動(dòng)防空轉(zhuǎn)算法。在出現(xiàn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的情況時(shí)，輸出端將不斷地開啟和關(guān)閉，以重啟電機(jī)。開關(guān)循環(huán)還可以推動(dòng)產(chǎn)生力矩循環(huán)來抖動(dòng)電機(jī)和增加啟動(dòng)的概率。它還能防止產(chǎn)生會(huì)損壞電機(jī)線圈的持續(xù)堵轉(zhuǎn)電流。
保護(hù)與超薄封裝
A1442 集成了電池反接保護(hù)功能以便在電機(jī)線纜錯(cuò)誤地反焊至 PCB 上時(shí)保護(hù)器件不受損壞，同時(shí)也便于重新加工。
如果在器件通電時(shí)，因疏忽導(dǎo)致線圈的輸出短路，A1442 將在 IC 變熱時(shí)啟用過熱保護(hù)功能來禁用輸出。對(duì)于裝配廠以及在 OEM 電路板裝配線上的返工工作而言，電池反接保護(hù)功能與過熱關(guān)閉保護(hù)功能都是非常卓越的功能。
隨著 Motorola? MOTORAZRTM 手機(jī)等超薄設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，振動(dòng)電機(jī)的厚度成為了一個(gè)重要的賣點(diǎn)。Allegro A1442 器件采用了世界上’最薄的 MLP 封裝之一。現(xiàn)有電機(jī)的厚度趨向于 1.5 mm，甚至更薄，而通過采用 Allegro EW 封裝（最大總封裝高度為 0.4 mm、長(zhǎng)度與寬度僅為 1.5 mm × 2.0 mm 的 MLP (DFN)），可以實(shí)現(xiàn)更大的設(shè)計(jì)靈活性。A1442 EW 封裝如圖 7 所示。
圖 7：采用 EW 封裝的 A1442。
總結(jié)
A1442 是用于驅(qū)動(dòng)低電壓無刷直流 (BLDC) 電機(jī)的全橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器?？梢酝ㄟ^使用單個(gè)霍爾元件偵測(cè)極性交互環(huán)形磁鐵的旋轉(zhuǎn)位置來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相。該器件整合了所有必需的電子元件。這包括用于換相的霍爾元件電路、電動(dòng)機(jī)控制電路及全輸出電橋。
這個(gè)完全集成的單芯片解決方案可增強(qiáng)可靠性（包括電池反接保護(hù)及輸出短路保護(hù)），且除了 0.1 μF 的標(biāo)準(zhǔn)外部旁路電容器以外無需任何其他的外部支持元件。
A1442 運(yùn)用軟開關(guān)算法來最大程度地降低可聞開關(guān)噪聲及 RFI 和 EMI 干擾。第三個(gè)引腳具有一個(gè)主動(dòng)制動(dòng)功能，可用于來電顯示與游戲功能的快速停止/啟動(dòng)循環(huán)。第三個(gè)引腳還可以開啟微功率休眠模式以減少便攜式電子器件中用于電池管理的電流消耗。薄型小尺寸 EW 封裝有助于實(shí)現(xiàn)極薄的電機(jī)設(shè)計(jì)。
Allegro A1442 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器非常適合為手機(jī)以及尋呼機(jī)、手持式電子游戲控制器、電子牙刷和剃須刀等產(chǎn)品的振動(dòng)電機(jī)應(yīng)用提供高級(jí)功能和封裝方法。
