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作者：Shaun Milano，Allegro MicroSystems, ILC

摘要

振動電機適用于手機、游戲操縱桿、手持式電子游戲機、尋呼機、牙刷及剃須刀等多種應用。最令人感興趣的是手機市場，手機市場 2007 年的全球產(chǎn)量就已經(jīng)超過了 10 億部。手機市場推動了微型振動電機設(shè)計與制造技術(shù)的創(chuàng)新。較小的手機要求電機僅占用很小的 PCB 面積并需要電機采用較薄的設(shè)計。手機中還采用了用于來電顯示振鈴及游戲應用的電機。本文將討論 Allegro? MicroSystems  A1442 無刷直流 BLDC 電機驅(qū)動器采用的一種先進的霍爾效應技術(shù)，這種技術(shù)非常適合提供先進的手機振動電機功能。

振動電機設(shè)計

大多數(shù)振動電機都包含一個可以驅(qū)動不平衡重物的小型電動機，如圖 1 所示。

圖  1：硬幣型振動電機。在防護外殼內(nèi)有一個相對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。

電機分為直流 (DC) 有刷或無刷電機，有兩種基本的結(jié)構(gòu)：硬幣型（或扁平型）與圓柱形（或條形）。

圓柱形電機是采用傳統(tǒng)軸向設(shè)計的簡單的有刷電機，如圖  2 所示。這種電機適用于多種應用，但由于體積較大，不適合用在手機中。圓柱形電機需要占用手機較大的空間，其直徑通常是所有振動電機中最大的。

圖  2：外部有一個垂直于柱體的旋轉(zhuǎn)重物的圓柱形（條形）振動電機。

所有的有刷電機在電刷切換電機線圈內(nèi)的電流時都會在換相點產(chǎn)生火花。這些火花是寬帶射頻干擾 (RFI) 的最佳發(fā)射源。電刷會發(fā)生磨損，這是電機發(fā)生故障的一個主要原因。

對更小、更薄設(shè)計的需求促成了有刷電機技術(shù)在硬幣型電機中的應用，如圖  3 所示。與電刷接觸的換相點可以為轉(zhuǎn)子中的電氣線圈提供電力。在為線圈提供電力時會產(chǎn)生一個磁場，該磁場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，換相點以交變極性對的形式排列，當轉(zhuǎn)子運動時，線圈在通過換相點時不斷地改變極性。通過這種方式，電機以與外加電壓成正比的速度持續(xù)地旋轉(zhuǎn)。與圓柱形有刷電機的電刷相比，硬幣型設(shè)計中更為復雜的電刷的可靠性一般較差。

圖  3：硬幣型有刷振動電機的部件分解圖。(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；(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。

無刷振動電機

如前所述，無刷電機具有較長的壽命并且因產(chǎn)生的火花較少而消除了 RFI。BLDC 設(shè)計還可提供業(yè)內(nèi)直接最小、最薄的硬幣型電機。圖  4 介紹了這種電機的基本構(gòu)造。

圖  4：硬幣型無刷振動電機的部件分解圖。電刷和換相觸點被一個 Allegro MicroSystems A1442 霍爾效應傳感器 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)計中，轉(zhuǎn)子組件包含了磁鐵和能在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振動的重物。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 霍爾效應器件和精密放大器通過可以確定適當換相點的比較器電路連接到一個內(nèi)部全橋輸出端。圖  4 中電機的第三條線纜為可選件，它與 A1442 的啟用引腳相連，可用于控制主動制動與休眠功能。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)動電機所必需的唯一的 IC。圖  5 所示的功能框圖闡述了器件的運行和高級功能。請注意：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 PCB 元件數(shù)量。唯一需要的外部元件是一個標準的電路配件——位于應用電機安裝 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載時產(chǎn)生的電壓峰值。

圖  5：A1442 BLDC 振動電機驅(qū)動器的功能框圖。

軟開關(guān)與換相

當器件通電時，它可以檢測到磁場并可以激活電橋。主動晶體管根據(jù)磁極來設(shè)定。南極磁場激活輸出晶體管 Q1 和 Q4，驅(qū)動電流從 V_OUT1 流向 V_OUT2。在北磁極接近時（由于旋轉(zhuǎn)），Q1 與 Q4 關(guān)閉，Q2 與 Q3 導通。這驅(qū)動電流從 V_OUT2 流向 V_OUT1，從而逆轉(zhuǎn)了線圈內(nèi)的電流的流向。

電機的設(shè)計多種多樣，但最大 rpm 范圍為 9 000 至 15 000 rpm。大多數(shù)設(shè)計都采用了 4 極轉(zhuǎn)子磁鐵，少數(shù)設(shè)計使用了 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算出換相開關(guān)頻率（f_CS，Hz）：

f_CS = RPM × PP / 60，

其中，PP 是磁極對的數(shù)量。對于轉(zhuǎn)速為 9 000 rpm 的 4 極磁鐵，f_CS 為 300 Hz；對于轉(zhuǎn)速為 15 000 rpm 的 6 極磁鐵，fCS 為 750 Hz。因此，換相信號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電機線圈負載而產(chǎn)生的可聽噪聲與 EMI 的情況。圖  6 所示的時序圖說明了切換活動的過程。

圖  6：A1442 BLDC 振動電機驅(qū)動器的時序圖。(1)  A1442 感測到的轉(zhuǎn)子磁場；(2)  用于換相的霍爾電路內(nèi)部信號；(3)  全橋式激活信號；(4)  A1442 輸出；(5)  感應電機線圈電流。

主動制動、休眠模式與防空轉(zhuǎn)

Allegro A1442 集成了主動制動功能，可用于快速停止/啟動循環(huán)。當手機處于靜音模式時，快速停止/啟動循環(huán)可用于該手機的振鈴和來電顯示；此外，快速停止/啟動循環(huán)還可用于游戲應用中。制動功能可使用休眠 (/SLEEP) 引腳激活，如圖 5 所示。

在將一個低信號連接到休眠 (/SLEEP) 引腳時，A1442 將通過電機線圈逆轉(zhuǎn)輸出電橋的極性和電流方向，從而啟動主動制動功能。逆轉(zhuǎn)電流方向和磁場所產(chǎn)生的影響是會產(chǎn)生一個可以反向旋轉(zhuǎn)電機的作用力，這個作用力可以迅速降低電機的速度。在制動后，A1442 會關(guān)閉 IC 的活動電路，從而進入休眠模式。

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)閉電機的電源，但在有休眠 (/SLEEP) 引腳時則不需要再使用 FET 晶體管；在這種情況下，可以將電機永久地連接到電池上。

如果電機停止轉(zhuǎn)動，A1442 將啟動防空轉(zhuǎn)算法。在出現(xiàn)電機停止轉(zhuǎn)動的情況時，輸出端將不斷地開啟和關(guān)閉，以重啟電機。開關(guān)循環(huán)還可以推動產(chǎn)生力矩循環(huán)來抖動電機和增加啟動的概率。它還能防止產(chǎn)生會損壞電機線圈的持續(xù)堵轉(zhuǎn)電流。

保護與超薄封裝

A1442 集成了電池反接保護功能以便在電機線纜錯誤地反焊至 PCB 上時保護器件不受損壞，同時也便于重新加工。

如果在器件通電時，因疏忽導致線圈的輸出短路，A1442 將在 IC 變熱時啟用過熱保護功能來禁用輸出。對于裝配廠以及在 OEM 電路板裝配線上的返工工作而言，電池反接保護功能與過熱關(guān)閉保護功能都是非常卓越的功能。

隨著 Motorola^? MOTORAZR^TM 手機等超薄設(shè)計的出現(xiàn)，振動電機的厚度成為了一個重要的賣點。Allegro A1442 器件采用了世界上’最薄的 MLP 封裝之一。現(xiàn)有電機的厚度趨向于 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、長度與寬度僅為 1.5 mm × 2.0 mm 的 MLP (DFN)），可以實現(xiàn)更大的設(shè)計靈活性。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)動低電壓無刷直流 (BLDC) 電機的全橋式電機驅(qū)動器。可以通過使用單個霍爾元件偵測極性交互環(huán)形磁鐵的旋轉(zhuǎn)位置來實現(xiàn)電機的換相。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、電動機控制電路及全輸出電橋。

這個完全集成的單芯片解決方案可增強可靠性（包括電池反接保護及輸出短路保護），且除了 0.1 μF 的標準外部旁路電容器以外無需任何其他的外部支持元件。

A1442 運用軟開關(guān)算法來最大程度地降低可聞開關(guān)噪聲及 RFI 和 EMI 干擾。第三個引腳具有一個主動制動功能，可用于來電顯示與游戲功能的快速停止/啟動循環(huán)。第三個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 封裝有助于實現(xiàn)極薄的電機設(shè)計。

Allegro A1442 BLDC 電機驅(qū)動器非常適合為手機以及尋呼機、手持式電子游戲控制器、電子牙刷和剃須刀等產(chǎn)品的振動電機應用提供高級功能和封裝方法。