用于无刷直流振动电机应用的完全整合型霍尔效应电机驱动器

用于无刷直流振动电机应用的完全整合型霍尔效应电机驱动器

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作者:Shaun Milano,Allegro MicroSystems, ILC

摘要

振动电机适用于手机、游戏操纵杆、手持式电子游戏机、寻呼机、牙刷及剃须刀等多种应用。最令人感兴趣的是手机市场,手机市场 2007 年的全球产量就已经超过了 10 亿部。手机市场推动了微型振动电机设计与制造技术的创新。较小的手机要求电机仅占用很小的 PCB 面积并需要电机采用较薄的设计。手机中还采用了用于来电显示振铃及游戏应用的电机。本文将讨论 Allegro™ MicroSystems  A1442 无刷直流 BLDC 电机驱动器采用的一种先进的霍尔效应技术,这种技术非常适合提供先进的手机振动电机功能。

振动电机设计

大多数振动电机都包含一个可以驱动不平衡重物的小型电动机,如图 1 所示。

图 1(振动电机)

图  1:硬币型振动电机。在防护外壳内有一个相对较为扁平的偏心重物在旋转。(1) 外壳;(2) 转子底座;(3) 重物;(4) 轴。

电机分为直流 (DC) 有刷或无刷电机,有两种基本的结构:硬币型(或扁平型)与圆柱形(或条形)。

圆柱形电机是采用传统轴向设计的简单的有刷电机,如图  2 所示。这种电机适用于多种应用,但由于体积较大,不适合用在手机中。圆柱形电机需要占用手机较大的空间,其直径通常是所有振动电机中最大的。

图 2

图  2:外部有一个垂直于柱体的旋转重物的圆柱形(条形)振动电机。

所有的有刷电机在电刷切换电机线圈内的电流时都会在换相点产生火花。这些火花是宽带射频干扰 (RFI) 的最佳发射源。电刷会发生磨损,这是电机发生故障的一个主要原因。

对更小、更薄设计的需求促成了有刷电机技术在硬币型电机中的应用,如图  3 所示。与电刷接触的换相点可以为转子中的电气线圈提供电力。在为线圈提供电力时会产生一个磁场,该磁场可以与集成在定子中的环形磁铁相互作用,使线圈发生旋转。

如图  3 所示,换相点以交变极性对的形式排列,当转子运动时,线圈在通过换相点时不断地改变极性。通过这种方式,电机以与外加电压成正比的速度持续地旋转。与圆柱形有刷电机的电刷相比,硬币型设计中更为复杂的电刷的可靠性一般较差。

图 3

图  3:硬币型有刷振动电机的部件分解图。(1) 外壳顶部;(2)  转子(安装视图);(3)  转子(倒视图);(4)  外壳底部;(5)  线圈;(6)  换相点;(7)  交流电源电路;(8)  环形磁铁(展示了具有代表性的磁极区);(9)  电源刷。

无刷振动电机

如前所述,无刷电机具有较长的寿命并且因产生的火花较少而消除了 RFI。BLDC 设计还可提供业内直接最小、最薄的硬币型电机。图  4 介绍了这种电机的基本构造。

图 4

图  4:硬币型无刷振动电机的部件分解图。电刷和换相触点被一个 Allegro MicroSystems A1442 霍尔效应传感器 IC 所取代,线圈迁移到了定子中。(1) 外壳顶部;(2)  转子(安装视图);(3)  转子(倒视图);(4)  外壳底部;(5)  环形磁铁(展示了具有代表性的磁极区);(6)  偏心重物;(7)  线圈。

在这种设计中,转子组件包含了磁铁和能在旋转时产生振动的重物。体积较大的线圈被移到了定子中并在定子中连接到控制 IC。

数字换相和线性软开关可避免火花的产生,从而避免了 RFI 干扰。完全集成的 A1442 霍尔效应器件和精密放大器通过可以确定适当换相点的比较器电路连接到一个内部全桥输出端。图  4 中电机的第三条线缆为可选件,它与 A1442 的启用引脚相连,可用于控制主动制动与休眠功能。可以将 IC 引脚连接到 PCB 的 VCC 上,这样就不需要使用这第三条线缆了。

A1442 是驱动电机所必需的唯一的 IC。图  5 所示的功能框图阐述了器件的运行和高级功能。请注意:在图  4  和图  5 中,由于采用了集成霍尔元件,省去了外部霍尔元件的需要,也减少了 A1442 所需的电机 PCB 元件数量。唯一需要的外部元件是一个标准的电路配件——位于应用电机安装 PCB 上的 0.1 µF 的旁路电容器,它可以最大程度地降低在切换电源的电感负载时产生的电压峰值。

图 5

图  5:A1442 BLDC 振动电机驱动器的功能框图。

软开关与换相

当器件通电时,它可以检测到磁场并可以激活电桥。主动晶体管根据磁极来设定。南极磁场激活输出晶体管 Q1 和 Q4,驱动电流从 VOUT1 流向 VOUT2。在北磁极接近时(由于旋转),Q1 与 Q4 关闭,Q2 与 Q3 导通。这驱动电流从 VOUT2 流向 VOUT1,从而逆转了线圈内的电流的流向。

电机的设计多种多样,但最大 rpm 范围为 9 000 至 15 000 rpm。大多数设计都采用了 4 极转子磁铁,少数设计使用了 6 极磁铁。通过使用这些参数,可以利用下面的公式轻松地计算出换相开关频率(fCS,Hz):

fCS = RPM × PP / 60,

其中,PP 是磁极对的数量。对于转速为 9 000 rpm 的 4 极磁铁,fCS 为 300 Hz;对于转速为 15 000 rpm 的 6 极磁铁,fCS 为 750 Hz。因此,换相信号与线圈电流切换事件均发生在音频范围内。软开关驱动算法非常适用于通过逐渐降低线圈中的电流,然后逆转电流流向来最大程度地降低因切换感应电机线圈负载而产生的可听噪声与 EMI 的情况。图  6 所示的时序图说明了切换活动的过程。

图 6

图  6:A1442 BLDC 振动电机驱动器的时序图。(1)  A1442 感测到的转子磁场;(2)  用于换相的霍尔电路内部信号;(3)  全桥式激活信号;(4)  A1442 输出;(5)  感应电机线圈电流。

主动制动、休眠模式与防空转

Allegro A1442 集成了主动制动功能,可用于快速停止/启动循环。当手机处于静音模式时,快速停止/启动循环可用于该手机的振铃和来电显示;此外,快速停止/启动循环还可用于游戏应用中。制动功能可使用休眠 (/SLEEP) 引脚激活,如图 5 所示。

在将一个低信号连接到休眠 (/SLEEP) 引脚时,A1442 将通过电机线圈逆转输出电桥的极性和电流方向,从而启动主动制动功能。逆转电流方向和磁场所产生的影响是会产生一个可以反向旋转电机的作用力,这个作用力可以迅速降低电机的速度。在制动后,A1442 会关闭 IC 的活动电路,从而进入休眠模式。

在休眠模式下,IC 的电流消耗通常小于 1 µA。一般情况下,需要使用客户 PCB 上的 FET 晶体管来开启和关闭电机的电源,但在有休眠 (/SLEEP) 引脚时则不需要再使用 FET 晶体管;在这种情况下,可以将电机永久地连接到电池上。

如果电机停止转动,A1442 将启动防空转算法。在出现电机停止转动的情况时,输出端将不断地开启和关闭,以重启电机。开关循环还可以推动产生力矩循环来抖动电机和增加启动的概率。它还能防止产生会损坏电机线圈的持续堵转电流。

保护与超薄封装

A1442 集成了电池反接保护功能以便在电机线缆错误地反焊至 PCB 上时保护器件不受损坏,同时也便于重新加工。

如果在器件通电时,因疏忽导致线圈的输出短路,A1442 将在 IC 变热时启用过热保护功能来禁用输出。对于装配厂以及在 OEM 电路板装配线上的返工工作而言,电池反接保护功能与过热关闭保护功能都是非常卓越的功能。

随着 Motorola® MOTORAZRTM 手机等超薄设计的出现,振动电机的厚度成为了一个重要的卖点。Allegro A1442 器件采用了世界上’最薄的 MLP 封装之一。现有电机的厚度趋向于 1.5 mm,甚至更薄,而通过采用 Allegro EW 封装(最大总封装高度为 0.4 mm、长度与宽度仅为 1.5 mm × 2.0 mm 的 MLP (DFN)),可以实现更大的设计灵活性。A1442 EW 封装如图  7 所示。

图 7

图  7:采用 EW 封装的 A1442。

总结

A1442 是用于驱动低电压无刷直流 (BLDC) 电机的全桥式电机驱动器。可以通过使用单个霍尔元件侦测极性交互环形磁铁的旋转位置来实现电机的换相。该器件整合了所有必需的电子元件。这包括用于换相的霍尔元件电路、电动机控制电路及全输出电桥。

这个完全集成的单芯片解决方案可增强可靠性(包括电池反接保护及输出短路保护),且除了 0.1 µF 的标准外部旁路电容器以外无需任何其他的外部支持元件。

A1442 运用软开关算法来最大程度地降低可闻开关噪声及 RFI 和 EMI 干扰。第三个引脚具有一个主动制动功能,可用于来电显示与游戏功能的快速停止/启动循环。第三个引脚还可以开启微功率休眠模式以减少便携式电子器件中用于电池管理的电流消耗。薄型小尺寸 EW 封装有助于实现极薄的电机设计。

Allegro A1442 BLDC 电机驱动器非常适合为手机以及寻呼机、手持式电子游戏控制器、电子牙刷和剃须刀等产品的振动电机应用提供高级功能和封装方法。