振動馬達(dá)用于各種應(yīng)用中,包括手機(jī)、游戲操縱桿、手持游戲機(jī)、尋呼機(jī)、牙刷及剔須刀等。最令人感興趣的是手機(jī)市場,該市場的全球手機(jī)出貨量在2007年已經(jīng)超過10億部。手機(jī)市場推動著微型振動馬達(dá)設(shè)計與制造技術(shù)方面的創(chuàng)新。較小的手機(jī)要求馬達(dá)占用較少的PCB面積,并需要馬達(dá)采用較薄的設(shè)計。手機(jī)中還采用了進(jìn)行來電顯示振鈴及游戲應(yīng)用的馬達(dá)。
多數(shù)振動馬達(dá)由一個較小的電動馬達(dá)驅(qū)動一個偏心配重,如圖1所示。馬達(dá)為直流有刷或無刷電機(jī),有兩種基本的結(jié)構(gòu):硬幣狀(扁平)與圓柱形(條狀)。
柱型馬達(dá)是采用傳統(tǒng)軸向設(shè)計的簡單有刷電機(jī),如圖2所示。用于多種應(yīng)用中,但由于體積較大,不適合在手機(jī)中應(yīng)用。柱型馬達(dá)在手機(jī)中需要較大的空間,直徑是所有振動馬達(dá)中最大的。
在電刷切換馬達(dá)線圈的電流時,所有的有刷電機(jī)在換向點(diǎn)會產(chǎn)生電火花。這些電火花是寬帶射頻干擾(RFI)的最佳發(fā)射源。電刷會發(fā)生磨損,這是馬達(dá)故障的最主要原因。
更小、更薄的設(shè)計需求促成了將有刷電機(jī)技術(shù)用于扁平振動馬達(dá)中,如圖3所示。與電刷接觸的換向點(diǎn)對轉(zhuǎn)子中的電動線圈進(jìn)行激勵。激勵線圈時會產(chǎn)生一個磁場,該磁場可與集成在定子中的環(huán)形磁鐵作用,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。
如圖3所示,換向點(diǎn)以交變的極性對排列,當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動時,線圈在通過換向點(diǎn)時不斷地改變極性。馬達(dá)如此以與所施加電壓成正比例的速度持續(xù)地旋轉(zhuǎn)。扁平振動馬達(dá)中更復(fù)雜的電刷一般比柱形馬達(dá)電刷的可靠性差一些。
無刷振動電機(jī)
如前所述,無刷電機(jī)具有較長的壽命,并由于產(chǎn)生的電火花較少,也沒有了RFI干擾。無刷直流(BLDC)設(shè)計還提供業(yè)內(nèi)直徑最小、厚度最薄的扁平振動馬達(dá)。圖4介紹了這種馬達(dá)的基本構(gòu)造。
在這種設(shè)計結(jié)構(gòu)中,轉(zhuǎn)子組件中包含了磁鐵和在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振動的配重。較大的線圈移到了定子內(nèi)部,在定子中連接到控制IC。
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數(shù)字換向與線性軟開關(guān)避免了電火花,從而也避免了RFI干擾。Allegro完全集成的A1442霍爾效應(yīng)傳感器與精密放大器通過比較器電路連接到一個內(nèi)部全橋輸出電路,該比較器可確定適當(dāng)?shù)膿Q向點(diǎn)。圖4中馬達(dá)的第三條線是可選的,它連接到A1442的啟用針腳(enablepin),用作控制主動制動與睡眠功能。第三線可將IC針腳連接到PCB的VCC。
A1442是驅(qū)動馬達(dá)唯一必須的的IC。圖5所示的功能模塊圖說明了設(shè)備運(yùn)行和先進(jìn)的特性。注意圖4和圖5中,采用集成的霍爾傳感器免除了外部霍爾傳感器,從而減少了馬達(dá)PCB元件數(shù)量。唯一所需的外部元件是一種標(biāo)準(zhǔn)電路特性——位于應(yīng)用馬達(dá)安裝PCB上的0.1µF的旁路電容,它用于降低在開關(guān)電源的電感負(fù)載時產(chǎn)生的瞬時電壓峰值。
軟開關(guān)與換向
當(dāng)設(shè)備加電時,它可檢測到磁場并激活電橋?;顒拥木w管根據(jù)磁極來設(shè)定。南極磁場激活輸出晶體管Q1與Q4,驅(qū)動電流從VOUT1流行VOUT2。當(dāng)北極磁場出現(xiàn)接近時(旋轉(zhuǎn)),Q1與Q4關(guān)閉,而Q2和Q3導(dǎo)通。該驅(qū)動電流從VOUT2流向VOUT1,從而逆轉(zhuǎn)了經(jīng)過線圈的電流方向。
馬達(dá)的設(shè)計會有所變化,但其最大的轉(zhuǎn)速范圍從9,000rpm到15,000rpm。多數(shù)的設(shè)計采用四極的轉(zhuǎn)子磁鐵,有些少數(shù)的設(shè)計采用六極磁鐵。使用這些參數(shù),使用下面的等式可輕松地計算出換向開關(guān)頻率(fCS,Hz):
fCS=RPM×PP/60,
其中PP為磁極對的數(shù)量。對于轉(zhuǎn)速為9,000rpm的四極磁鐵,fCS為300Hz。對于轉(zhuǎn)速為9,000rpm的四極磁鐵,fCS為750Hz。因此,換向信號與線圈電流開關(guān)事件均在在音頻范圍內(nèi)。軟開關(guān)驅(qū)動算法為通過逐漸降低線圈中的電流然后反轉(zhuǎn)其方向,可減少由開關(guān)感應(yīng)馬達(dá)線圈負(fù)載所產(chǎn)生的音頻噪音及EMI。圖6時序圖說明了開關(guān)活動的過程。
主動制動、睡眠模式、防空轉(zhuǎn)
A1442BLDC馬達(dá)驅(qū)動電路集成了主動制動功能,可用于快速停止或啟動循環(huán)。當(dāng)手機(jī)處于睡眠模式時,快速停止或啟動循環(huán)在手機(jī)振鈴、來電顯示中十分有用,也用于游戲應(yīng)用中。制動功能可用睡眠針腳激活,如圖5所示。
在一個低信號施加到睡眠針腳時,馬達(dá)會啟動主動制動功能:反轉(zhuǎn)輸出橋的極性,從而反轉(zhuǎn)電流方向。反轉(zhuǎn)電流方向而使磁場反轉(zhuǎn)的效果,是為了施加一個以反方向旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的力,這樣可迅速地降低其速度。制動后,馬達(dá)驅(qū)動電路關(guān)閉活動電路IC,而進(jìn)入睡眠模式。
在睡眠模式下,IC的電流消耗通常小于1µA。睡眠模式可免除客戶PCB上的FET晶體管,不然必須要有這種晶體管來關(guān)閉或開啟馬達(dá)的電源。這樣,電機(jī)就可永久地連接到電池上。
如果電機(jī)停止,驅(qū)動電路會發(fā)起一個防空轉(zhuǎn)算法。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)停止時,輸出會不斷地開啟與關(guān)閉來重啟馬達(dá)。開關(guān)循環(huán)生成力矩循環(huán)來抖動電機(jī)以增加啟動的機(jī)會。它還預(yù)防能損壞馬達(dá)線圈的連續(xù)停止電流。
A1442中集成了反向電池保功能,以防止馬達(dá)線錯誤地反焊到PCB上,這樣也便于重新加工。如果設(shè)備關(guān)閉時線圈的輸出意外地短路,馬達(dá)驅(qū)動電路的熱關(guān)閉保護(hù)功能會在IC預(yù)熱時禁用輸出。反向電池保與熱關(guān)閉對組裝車間及在OEM電路板裝配線上返工是非常強(qiáng)大的功能。
隨著超薄設(shè)計的出現(xiàn),振動馬達(dá)的厚度成為一個重要的賣點(diǎn)?,F(xiàn)在馬達(dá)厚度接近1.5mm甚至更薄,利用EW封裝–MLP(DFN)的最大總封裝高度0.4mm,長度與寬度僅為1.5mm×2mm,可實現(xiàn)更大的設(shè)計靈活性。
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