便携电子设备中的马达驱动器应用

马达在便携电子设备中得到日益广泛的应用。为满足这些设备对功耗、控制和空间的需求,马达驱动器要求高效率和高集成度。本文以数码相机为例,对这些马达驱动器解决方案的应用进行了讨论

消费市场是所有IC电子市场中最大以及增长最快的市场。数码相机(DSC)、MP3与DVD播放机、机顶盒、视频游戏控制台,以及手机等这些需要用到马达的电子设备的市场成功,为IC市场注入了发展动力。这些马达用于控制诸如相机的移动镜头、硬盘驱动器的旋转以及移动读/写磁头等。

图1:在DSC镜头中装配的三种马达。

电子设备中辅助部件使用的马达数量更多,比如冷却风扇和CD ROM/RW/DVD ROM驱动器。最近,照相手机甚至已将马达集成到手机里。在这些应用中的每一个马达都需要马达驱动器,从而使马达驱动器IC的需求量急剧增加并刺激整个市场的发展。

本文将讨论现代数码相机对运动控制的要求,因为它们可能是在很小体积内装有马达数量最多的精巧设备。此外,本文还将讨论一种基于高度集成的马达驱动器IC的马达驱动器解决方案(见图1)。

相机的基础知识

大多数数码相机都具有光学变焦或者数字变焦功能(或者二者都有)。光学变焦镜头实际上是朝着拍摄对象向外运动以获得清晰的特写照片,它与传统相机中的变焦镜头属于同一类型。数字变焦则是相机里的一种软件功能,即裁减照片边缘并以电子方式放大照片的中央部分以填满整个画面,它会使照片的清晰度下降。孔径(或光圈,光线通过它进入相机)由镜头里的锁光圈(iris diaphragm)控制,例如一组重叠的金属薄片形成一个中心有孔的圆环,这个孔的孔径可根据需要调大或者调小。快门用来控制允许光线进入相机的时间。通过调节快门速度,配合采用合适的光圈大小,便可得到良好曝光所需的合适光量。

马达和马达驱动器

图1显示了DSC里常见的三种马达类型。直流激励器(actuator)一般用来驱动快门,它以恒流驱动(CCD传感器使富士胶片的数码相机图像更清晰" target=_blank>CCD)模式控制,可实现高速的快门操作(现代DSC的快门速度超过1/2,000秒)；步进马达则将对自动调焦(AF)进行精确的位置控制。光学变焦可采用直流马达或步进马达来实现。对于快速变焦操作,特别是当DSC电源打开时,采用直流马达更好,因为它的转矩大于步进马达的转矩。但另一方面,为在正常操作时进行平滑和精确的变焦,采用步进马达可能会更好些。对于单光圈应用,可使用DC激励器调节光圈,而当需要精确控制位置时则采用步进马达。

图2展示了DSC里的所有马达。这些马达有6个专用通道(CH1至CH6):CH5驱动用于快门操作的DC激励器；CH1和CH2驱动用于自动调焦的步进马达(有两个线圈)；CH3和CH4(两个线圈)驱动用于调节光圈的步进马达；CH6驱动用于光学变焦的直流马达,由于直流马达的转动惯量,CH6具有直流马达所需的制动功能。

驱动的实现与效率

DSC中马达的主要驱动方式为恒压驱动(CVD)与恒流驱动,有时也会采用电压脉宽调制(PWM)从一个固定电源上为不同马达提供合适电压。例如,镜头筒制造商可能推出工作在3V和3.6V的用于变焦的新型直流马达与用于调节光圈的直流激励器,而可用的VM(即马达电源电压)固定为4V。在这种情况下,DSP或伺服IC可能需要产生一个占空比为0.75和0.9的PWM信号来将4V电压转换成3V和3.6V。由于小型DSC马达的电感值很小,所以必须将这种PWM信号的频率设置在100kHz以上。

飞兆半导体推出的马达驱动器IC FAN8702具有6个通道(CH1至CH6,每一个通道驱动一个线圈),能驱动相机里的所有马达。像这种型号的驱动器IC具有4路用于调节输出电压及电流的命令输入,它们分别由管脚VC1、VC2、IAE和ISH设置。正确选择输出电压与电流将使电源功耗最小,这种高度灵活性使诸如CVD、CCD等简单的控制方法十分受欢迎。由于不需采用PWM架构中常见的开关转换,CVD/CCD除了方法简单、结构紧凑、具有成本效益外,还具有低噪声特性。

DSC的功耗

图2:DSC使用的所有马达,
其中1为用于快门的直流激励器,
2为用于自动调焦的步进马达,
3为用于调节光圈的步进马达,
4为用于变焦的直流马达。

DSC可用一节或两节锂离子电池供电,比如三星Digimax V50型DSC可用一节容量大约为5Wh的锂离子电池(3.7V,1,440mAh)供电；佳能EOS300D Digital Rebel型DSC则可用两节容量大约为8Wh的锂离子电池(7.4V,1,100mAh)供电,它一般在空闲模式下消耗1W的功率,在使用闪光灯拍照时消耗8W的峰值功率。因此,这种相机的工作时间从1至8小时不等,取决于它的使用频率与模式。

本文小结

应用在数码相机等现代便携电子设备中的马达数量的增长速度,将继续超过传统用在硬盘驱动器里的音圈马达(voice coil motor)和主轴马达数量的增长速度。令人吃惊的是,现在有很多马达可满足苛刻的小型化趋势要求,实际上“微型”硬盘(1英寸,1.5GB)现已经应用在智能手机里。市面上出现的新型照相手机也可能很快采用本文所讨论的所有马达,包括用于光学变焦与存储器的马达,数量将超过6个,而且全都装配在一个紧凑的空间内。除了这些马达,现代便携电子设备还需要效率高、集成度高的马达驱动器,以满足它们对功耗、控制及缩小空间的日益增长的需求。

作者:Reno Rossetti

Hyunmin Cho

飞兆半导体