完全集成的霍尔效应电机驱动器的无刷直流振动电机的应用亚博尊贵会员
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作者:Shaun Milano, 亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems, LLC
摘要
振动马达被用于各种各样的应用，包括手机、游戏操纵杆、手持视频游戏、传呼机、牙刷和剃须亚博尊贵会员刀等等。尤其令人感兴趣的是手机市场，预计2007年全球手机产量将超过10亿部。手机市场推动了微型振动电机设计和制造技术的创新。更小的手机需要消耗更少PCB面积的电机，并且需要一个薄的电机设计。手机上还增加了来电显示振动音的电机功能，以及游戏应用程序。亚博尊贵会员本文将讨论先进的霍尔效应技术Allegro™MicroSystemsA1442无刷直流电无刷直流电机驱动器非常适合提供先进的手机振动电机功能。
振动电机的设计
大多数振动电机由一个小型电机组成，驱动不平衡重量，如图所示1.
图1所示。Coin-type振动电机。一个相对平坦的偏心重量旋转在一个保护外壳。(1)外壳，(2)转子底座，(3)重量，(4)轴。
电机是直流(DC)刷或无刷电机，并配置为两个基本品种:硬币(或平),油缸(或酒吧）.
圆柱型电机是传统轴向设计的简单刷式电机，如图2所示。圆筒电机在各种应用中都有应用，但由于体积大，在手机应用中不受欢迎。亚博尊贵会员圆筒式电机对手机内的体积要求最大，通常也是所有振动电机中直径最大的。
图2。筒式(杆式)振动电机具有垂直于机体的外部重量旋转。
所有电刷电机在换向点产生火花，因为电刷开关电机线圈中的电流。这些火花是宽带射频干扰(RFI)的优秀发射器。电刷磨损是电机故障的主要原因。
对更小、更薄的设计的需求导致了电刷电机技术到投币式电机的适应，如图3所示。与电刷接触的换向器点使转子中的线圈通电。给线圈通电，就会形成一个强大的磁场，足以与集成在定子中的环形磁铁相互作用，导致旋转。
如图3所示，换向点布置在交流极性对中，随着转子的运动，线圈通过换向点时不断地换向极性。通过这种方式，电机以与施加电压成比例的速度不断旋转。硬币设计中更复杂的刷子通常比它们的等效刷缸马达更不可靠。
图3。电刷投币式振动电机爆炸图。(1)外壳顶部，(2)转子(安装时视图)，(3)转子(倒立视图)，(4)外壳底部，(5)线圈，(6)换向点，(7)交流电源电路，(8)环形磁铁(显示有代表性的极性区域)，(9)电源刷。
无刷电机振动
如前所述，无刷电机由于没有火花而延长了电机寿命并消除了射频干扰。无刷直流设计也提供了最小直径和最薄的投币式电机在业界。图4说明了这种电机的基本结构。
图4。无刷硬币式振动电机爆炸视图。电刷和换向触点被霍尔效应传感器IC(如图所示)取代，线圈被重新安置到定子上。亚博棋牌游戏(1)外壳顶部，(2)转子(安装时视图)，(3)转子(倒置视图)，(4)外壳底部，(5)环形磁铁(显示有代表性的极性区域)，(6)偏心重量，(7)线圈。
在这种设计中，转子组件包括磁铁以及在旋转过程中提供振动的重量。相对庞大的线圈被移动到定子，在那里他们被连接到控制IC。
数字换向和线性软开关消除了火花和射频干扰。全集成的A1442霍尔效应器件和精密放大器通过比较电路耦合到一个内部的全桥输出，以确定适当的换向点。图4中电机所示的第三根电线是可选的，连接到A1442上的使能引脚，可用于控制主动制动和睡眠功能。这第三根线可以通过将IC引脚绑在PCB上的VCC上来消除。
A1442是唯一的IC必须驱动电机。图5的功能框图说明了设备的操作和高级功能。注意在图4和图5中，集成的霍尔元件消除了对外部霍尔元件的需要，从而减少了电机PCB组件计数仅为A1442。唯一需要的外部组件是一个标准的电路特性，一个0.1µF旁路电容位于应用电机安装的PCB上，用于最小化电源上的电压峰值，当开关电感负载时产生。
图5。A1442无刷直流振动电机驱动功能框图。
软交换和交换
当这个装置启动时，它会感应到磁场并激活电桥。有源晶体管是根据磁极设置的。一个南极性磁场激活输出晶体管Q1和Q4，驱动电流从V着干活到VOUT2．当北极磁极靠近时(由于旋转)，Q1和Q4关闭，Q2和Q3打开。它从V驱动电流OUT2到V着干活，从而改变线圈中电流流动的方向。
电机设计不同，但最大转速范围从9 000至15 000 rpm。大多数设计采用4极转子磁铁，少数设计使用6极磁铁。利用这些参数可以方便地计算换向开关频率(fCS， Hz)，使用如下公式:
fCS= RPM × pp / 60，
其中PP为极对的数量。对于9 000转/分的4极磁铁，fCS是300赫兹，对于一个6极磁铁在15 000 rpm，它是750赫兹。因此，换相信号和线圈电流开关事件发生在可听频率范围内。软开关驱动算法是最优的，通过逐步减少线圈中的电流，然后逆转电感电机线圈负载，以最小化可听到的噪声和EMI。图6中的时序图说明了切换行为。
图6。A1442无刷直流振动电机驱动时序图。(1) A1442感应转子磁场，(2)霍尔电路内部信号进行换向，(3)全桥激活信号，(4)A1442输出，(5)感应电机线圈电流。
主动制动，睡眠模式，防失速
Allegro A1442集成了主动制动功能，可用于快速启停循环。快速的启停循环在手机振动铃声、静音模式下的来电显示和游戏应用中都很有用。亚博尊贵会员制动功能使用/SLEEP引脚激活，如图5所示。
当低信号应用到/SLEEP引脚，A1442启动主动制动功能，通过反转输出桥的极性，从而电流方向通过电机线圈。换向电流和磁场的作用是施加力使电机反向旋转，这将迅速使电机减速。在刹车后，A1442通过关闭IC的有源电路进入睡眠模式。
在休眠模式下，集成电路的电流消耗通常小于1µA。/SLEEP引脚可以消除客户PCB上的FET晶体管，否则需要将电源开关到电机上和关闭;这样，电机就可以永久地连接到电池上。
如果电机失速，A1442将启动一个防失速算法。当一个失速事件发生，输出将持续打开和关闭，以重新启动电机。开关周期产生的扭矩周期震动电机，提高启动的概率。它还可以防止持续的失速电流，可以损坏电机线圈。
保护和超薄包装
反向电池保护纳入到A1442，以保护设备，以防电机线无意中向后焊接在PCB上，使返工可能。
如果在设备上电时线圈的输出意外短路，A1442具有热关闭保护，当IC升温时输出将禁用。反向电池保护功能和热关机已经证明是非常强大的功能，组装工厂和OEM板组装的返工。
随着超薄设计的出现，比如摩托罗拉®MOTORAZRTM手机中，振动电机的厚度已经成为一个重要的卖点。该Allegro A1442设备可在世界上最薄的MLP封装之一。目前成品电机厚度趋向于1.5 mm及以下，使用Allegro EW封装，MLP (DFN)具有额外的设计灵活性，总体封装高度最大为0.4 mm，长度和宽度尺寸仅为1.5 mm × 2.0 mm。A1442电子束包如图7所示。
图7。电子战包装的A1442。
总结
A1442是一个全桥电机驱动器，旨在驱动低压，无刷直流(BLDC)电机。电机的换向是通过使用单个霍尔元件来检测交流极环磁铁的旋转位置来实现的。这个装置集成了所有必要的电子设备。这包括用于换向的霍尔元件电路、电机控制电路和全输出桥。
这种完全集成的单芯片解决方案提供了增强的可靠性(包括反向电池保护和输出短路保护)，并消除了任何外部支持组件的需要，除了标准的外部0.1µF旁路电容。
A1442采用了软开关算法，以最小化可听到的开关噪声、RFI和EMI干扰。第三针上有主动制动功能，可用于来电显示和游戏功能的快速启停循环。第三针还使微功率睡眠模式，以减少便携式电子设备电池管理的电流消耗。小的占地面积和低外形的电子战封装使电机设计非常薄。
该Allegro A1442无刷直流电机驱动器非常适合提供先进的功能和包装振动电机应用于便携式手机和其他产品，如寻呼机，手持视频游戏控制器，电子牙刷和剃须刀。亚博尊贵会员