AB-008: Best Practices für Vibrationsmotoren von Mobiltelefonen

Überblick

Vibrationsalarm - in Handys seit den 90er Jahren üblich

Vibrationsalarm - in Handys seit den 90ern üblich

Die Mobilfunkindustrie ist ein riesiger Markt, in dem Vibrationsmotoren eine etablierte Komponente sind. Jetzt kann fast jedes Gerät Vibrationsalarme erzeugen, und das Feld der haptischen Rückmeldung bewegt sich schnell voran. In diesem Bulletin beschreiben wir einige der häufigsten Probleme, mit denen sich Handyhersteller konfrontiert sehen, sowie die Best Practices, die sie zu überwinden haben. Viele dieser Probleme und Lösungen sind auf die meisten Handgeräte mit Vibrationsfunktionalität anwendbar. Für diejenigen, die ein bestehendes Produkt verbessern oder einen Vibrationsmotor zu einer brandneuen Kreation hinzufügen möchten, finden Sie hier einige Lösungen für Probleme, die Sie noch nicht berücksichtigt haben, deren Auswirkungen minimieren und die Leistung steigern.

Spannungsregulierung

Probleme

Wenn man bedenkt, wie man einen Vibrationsmotor in einer mobilen Anwendung antreibt, gibt es zwei wesentliche Hindernisse.

Erstens ist wahrscheinlich, dass die Batteriespannung ein höherer Wert als die maximale Betriebsspannung des Motors ist. Wird der Motor über diesen Maximalwert hinaus betrieben, kann der Motor beschädigt werden und vorzeitig ausfallen. Daher ist eine Lösung erforderlich, die die Versorgungsspannung des Motors auf ein angemessenes Niveau reduziert, vorzugsweise mit einem hohen Wirkungsgrad.

Zweitens variiert die Ausgangsspannung von einer Batterie abhängig von ihrer Ladung. Zum Beispiel kann eine Lithium-Ionen-Batterie, die bei 4,2 V voll geladen ist, nur 3,2 V erzeugen, wenn sie fast leer ist. Wenn ein Motor die Batterie als seine Versorgungsspannung verwendet, würde dies zu einer Leistungsminderung führen, wenn die Batterie leer wird. Es wird bevorzugt, den Motor mit einer konstanten Versorgungsspannung zu versorgen, so dass die Leistung und die Wirkungen der Vibrationen unabhängig von der Ladung konstant sind.

Best-Practice-Lösungen

Zum Glück können beide Probleme mit einer von drei ziemlich einfachen Lösungen gelöst werden. Von diesen drei Lösungen ist die Verwendung eines linearen Spannungsreglers am einfachsten, da er keinen Einfluss auf die Motorsteuerschaltung hat (was später diskutiert wird).

Spannungsregler verwenden typischerweise eine Zenerdiode parallel zur Last. Die Zener-Diode ist eine spezielle Diode, die so ausgelegt ist, dass sie im "Breakdown" -Bereich der Diode arbeitet, wo der Spannungsabfall über der Diode sehr nahe bei einem konstanten Wert liegt. Die Spannung, mit der die Zenerdiode in den Durchbruchsbereich eintritt, ist als Durchbruchspannung bekannt.

LG Zenner Diode Beispiel

LG Zenner Diode Beispiel

Nokia Noise Filtering Beispiel

Nokia Noise Filtering Beispiel

Die Durchschlagspannung der Zenerdiode wird so gewählt, dass sie gleich der Nennantriebsspannung des Motors ist. Die Zener-Diode klemmt die Spannung über den Motor, wobei der Rest der Spannung über dem Widerstand erscheint und von diesem abgeleitet wird.

Die zweite Alternative besteht darin, einen LDO-Spannungsregler-IC zu verwenden, in welchem ​​Fall der Eingangsspannungsbereich und die Ausgangsspannung klar markiert wären.

LG Spannungsregler Beispiel

LG Spannungsregler Beispiel

Eine dritte Lösung besteht darin, einen Motortreiberchip zu verwenden, der die Spannungsregelung selbst handhaben kann, die höchstwahrscheinlich intern eine der obigen zwei diskreten Methoden verwendet. Viele Motoransteuerungs-ICs können bei einer großen Vielzahl von Versorgungsspannungen betrieben werden, verstärken jedoch nicht die Ausgangsspannung, d. H. Die Versorgungsspannung muss größer als die gewünschte Ausgangsspannung sein. Offensichtlich beeinflusst die Verwendung eines Motorantriebs-ICs, wie der Motor angetrieben wird.

Elektromagnetische Kompatibilität und Interferenz (EMC und EMI)

Probleme

Als Folge des elektromechanischen Betriebs des Motors können sie Quellen elektromagnetischer Interferenz (EMI) sein. Angesichts der Tatsache, dass die meisten Mobiltelefone oder Mobiltelefone in Bezug auf den Raum extrem begrenzt sind, kann der Vibrationsmotor in der Nähe von sehr rauschempfindlichen HF-Schaltungen sein.

Daher ist die elektromagnetische Verträglichkeit eine sehr wichtige Überlegung. Wir diskutieren das Thema ausführlich im Application Bulletin 005: Elektromagnetische Verträglichkeit mit Vibrationsmotoren.

Um die in dem Bulletin diskutierten Probleme zusammenzufassen, können Motoren HF-Breitbandrauschen durch abgestrahlte und leitende Emissionen erzeugen, und sie können auch hohe Strom- und Spannungsspitzen erzeugen, die im Extremfall die Motoransteuerschaltung beschädigen können.

Best Practice-Lösungen

Entkopplungskondensatoren

Um abgestrahltem und leitendem Rauschen entgegenzuwirken, werden üblicherweise Entkopplungskondensatoren verwendet. Durch die Platzierung eines Keramikkondensators zwischen den Anschlüssen des Motors (so nah wie möglich an den Anschlüssen) können Hochfrequenzspektren entfernt werden. In Mobiltelefonen ist häufig jeder Motoranschluss mit einem weiteren Kondensator verbunden, der mit Masse verbunden ist, um das Rauschen weiter zu filtern. Wenn Sie ein PWM-Signal (erläutert in der Motorsteuerung) verwenden, um den Motor anzutreiben, müssen Sie darauf achten, dass die Kondensatoren Frequenzen oberhalb der PWM-Frequenz filtern.

Drosseln

In Mobiltelefonen und Mobiltelefonen ist der Motor manchmal nicht in der Nähe seiner Treiberschaltung angeordnet. Dies liegt oft daran, dass der Motor besondere mechanische Überlegungen bei der Montage benötigt. Sehen Sie sich zum Beispiel unsere Application Bulletins zur Montage von Vibrationsmotoren auf Leiterplatten oder zur Montage von Vibrationsmotoren an Trennwänden an. Wenn der Abstand zwischen der Treiberschaltung und dem Motor zunimmt, nimmt auch der Effekt des Gleichtaktstromrauschens zu. Um dies zu verhindern, verwenden viele mobile Hersteller ein Paar Drosseln, die den Durchgang von Differenzströmen erlauben, aber eine hohe Impedanz für gemeinsame Ströme haben.

Snubbing / Flyback-Dioden
 Ericsson-Snubber-Dioden Beispiel

Ericsson-Snubber-Dioden Beispiel

Flyback- oder Snubbing-Dioden schützen den Motorantrieb vor plötzlichen Spannungsspitzen, die vom Motor erzeugt werden. Es können entweder zwei verwendet werden, eine an jedem Motoranschluss, wobei die Anode mit Masse verbunden ist, oder, wenn ein Anschluss mit Masse verbunden ist, kann einer zwischen die Anschlüsse eingefügt werden, wobei die Anode wiederum mit dem Masseanschluss verbunden ist.Wenn der Motor eine große Spannungsspitze erzeugt, tritt die Diode in einen "Störungsbetrieb" ein und die Spitze wird sicher auf Masse gedrückt.

Motorsteuerung

Überlegungen

Das Antreiben eines Motors kann sehr einfach oder sehr komplex sein, abhängig davon, wie viel Kontrolle über den Motor benötigt wird. Zum Beispiel, wenn das Gerät einfach vibrieren und bei Bedarf abschalten sollte, könnte die Schaltung relativ einfach sein. Für ein fortgeschrittenes haptisches Feedback-Erlebnis ist jedoch ein haptischer Treiber-IC erforderlich. Da immer mehr Geräte mit einem Touchscreen ausgestattet werden, steigt die Nachfrage nach haptischem Feedback, jedoch gibt es immer noch einen Markt für einfachere Vibrationsalarmgeräte.

Das Steuersignal, das den Vibrationsmotor aktiviert, kommt von einem der Mikrocontroller des Telefons, ist jedoch nicht stark genug, um den Motor direkt anzutreiben. Als solche werden wir uns zwei übliche Motorantriebsschaltungen ansehen und dann zwei Techniken für eine erweiterte Motorsteuerung diskutieren.

Einfacher MOSFET-Schalter (Schaltkreis)

Die Basis der Transistorschaltung besteht darin, den Motor von einer Hochspannungs- oder Hochstromquelle mit Strom zu versorgen, während das Niederspannungs- und Niederstromsignal von dem Mikrocontroller verwendet wird, um den Schalter zu aktivieren. Es ist möglich, dies entweder mit einem MOSFET oder einem BJT zu tun, jedoch wird in mobilen Anwendungen ersteres bevorzugt. Dies liegt daran, dass der MOSFET effizienter ist (wichtig für batteriebetriebene Geräte) und daher beim Betrieb des Motors nicht so heiß wird.

Entweder P-Typ oder N-Typ kann verwendet werden, wie die obigen Beispielschaltbilder zeigen, und sind als diskrete Chips in einer Vielzahl von Gehäusen verfügbar. Das Gate ist mit dem Mikrocontroller verbunden und bestimmt, ob der MOSFET und damit der Motor ein- oder ausgeschaltet wird. Weitere Informationen finden Sie im Application Bulletin 001: Diskrete Treiberschaltungen für Vibrationsmotoren.

iPhone Beispiel

iPhone Beispiel

Fortgeschrittener Motorantrieb IC (Schaltkreis)

Eine Einschränkung des einfachen MOSFET-Schalters besteht darin, dass er den Motor nur in einer Richtung antreiben kann.

Dies kann für eine Vibrationsalarmanwendung geeignet sein, aber für eine haptische Rückkopplung muss der Motor leicht in jede Richtung angetrieben werden, um "Rückwärtsbremsen" zu unterstützen. Eine übliche Technik zum Steuern der Motorrichtung ist die Verwendung einer H-Brückenschaltung. Der Betrieb von H-Brücken ist gut dokumentiert, Sie können mehr darüber in Application Bulletin 002 lesen: Diskrete H-Brückenschaltung für verbesserte Vibrationsmotorsteuerung, z. Haptische Rückkopplung, und sie sind allgemein als integrierte Chips verfügbar, die diese Schaltung in Verbindung mit fortgeschrittenen Steuersignalen verwenden. Antriebs-ICs können anstelle der H-Brücke einen Verstärker enthalten, der sie dann zum Antreiben von Vibrationsmotoren mit linearem Resonanzstellglied (LRA) nützlich macht.

Beispiel für einen LG-Motorantriebschip

Beispiel für einen LG-Motorantriebschip

Overdrive und Reverse Braking (Kontrolle)

Overdrive ist das Konzept des Anlegens einer Spannung an den Vibrationsmotor auf einem Pegel oberhalb der Nennspannung für einen kurzen Zeitraum, um einen schnelleren Start zu erzwingen. Die Versorgungsspannung des Motors wird dann für den normalen Betrieb auf die normale Nennspannung oder die gewünschte Spannung reduziert. Dies ermöglicht schnellere Reaktionszeiten durch Reduzierung der typischen Lag-Zeit und der typischen Anstiegszeit, die im Abschnitt Typische haptische Eigenschaften unserer Vibrationsmotor-Datenblätter zu finden sind. Wegen der Notwendigkeit für eine zweite Verbindung mit höherer Spannung an den Vibrationsmotor neigt die zusätzliche Komplexität für den Fahrer dazu, in einen Treiber-IC integriert zu werden.

Rückwärtsbremsen ist eine Technik, um den Motor schnell zu stoppen, wenn er vibriert. Dies geschieht, indem der Motor in die entgegengesetzte Richtung angetrieben wird, in der er gerade dreht, indem die Polarität der Versorgungsspannung des Vibrationsmotors umgekehrt wird, bis der Motor zur Ruhe kommt. Die oben beschriebene H-Brückenschaltung ermöglicht diese Art der Motorsteuerung und verbessert die typische Stoppzeit des Motors in den typischen haptischen Eigenschaften.

PWM-Signalisierung für Haptik (Steuerung)

PWM-Signal Beispiel

PWM-Signal Beispiel

Pulsweitenmodulation ist ein häufiges Merkmal in vielen Mikroprozessoren und wird häufig zur Steuerung von Vibrationsmotoren in Mobiltelefonen oder Mobiltelefonen verwendet. Es ermöglicht eine bessere Kontrolle über den Motor, ohne das Spannungsniveau der Versorgungsspannung zu verändern. Eine typische Schaltung würde ein PWM-Signal von dem Mikrocontroller verwenden, der mit dem Gate eines MOSFET-Schalters verbunden ist, der wiederum mit dem Motor verbunden ist, wie in der beispielhaften Schaltung, die oben im Abschnitt "Einfacher MOSFET-Schalter" gezeigt ist. Die dem Motor zugeführte Spannung (Gleichung) wird wie folgt berechnet:

$$ V_ {0} = DutyCycle Zeiten V_ {dd} $$

Die Verwendung einer PWM ist eine einfache Methode zur Implementierung der oben erwähnten Overdrive-Technik. Zum Beispiel wenn ein Motor mit 3V und V bewertet wirddd Wenn das PWM-Signal mit einem Tastverhältnis von 75% auf 4 V gesetzt wird, würde der Motor mit konstanten 3 V versorgt. Ein Duty Cycle von 100% würde jedoch 4V liefern und Overdrive ermöglichen. Arbeitszyklen unter 75% würden die Vibrationsstärke verringern, und da sie leicht innerhalb des Mikrocontrollers programmiert werden können, kann eine Vielzahl von Vibrationsmustern verwendet und sogar als eine Bibliothek in einem internen Speicher oder Registern gespeichert werden.

Viele Motortreiber-ICs akzeptieren PWM-Signale als Steuereingang, und einige, die H-Brücken verwenden, unterstützen Rückwärtsbremsen, z.B.

PWM Arbeitszyklus Ausgabe
100% Max. Drehung im Uhrzeigersinn
50% Keine Drehung
0% Max. Drehung gegen den Uhrzeigersinn

Weitere Informationen zu den verfügbaren Antriebstechniken finden Sie im Datenblatt oder in den Anwendungshinweisen des gewählten Motorantriebs-ICs.

Fazit

Wir haben mit Illustrationen von realen Handy-Schaltplänen, einige der wichtigsten elektrischen Überlegungen für Ingenieure mit Vibrationsmotoren in Mobiltelefonen oder Handys abgedeckt.

Diese Probleme und Lösungen sind allgemein sowohl für Vibrationsalarm- als auch für haptische Rückkopplungs-Paradigmen anwendbar. Angesichts von Problemen mit der Spannungsregelung, der EMV-Leistung und der Motoransteuerung haben wir auch die Best-Practice-Lösungen der Mobilitätsbranche demonstriert.

Für die meisten Probleme gibt es eine Reihe verschiedener Lösungen, und die endgültige Empfehlung bleibt dem Leser überlassen, wie er diese am besten in seine Anwendung implementiert.