觸覺反饋(Haptics)技術(shù)在最近一兩年迅速發(fā)展，它讓手機(jī)、游戲機(jī)、觸摸屏設(shè)備和移動(dòng)電子產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)上升到一個(gè)全新的水平，越來越多的制造商將其納入開發(fā)設(shè)計(jì)。起初，便攜式電子產(chǎn)品主要采用的觸覺反饋技術(shù)是偏轉(zhuǎn)質(zhì)量(ERM)，也就是轉(zhuǎn)子馬達(dá)。ERM包含一個(gè)偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，它旋轉(zhuǎn)時(shí)形成一個(gè)全方向的震動(dòng)，震動(dòng)傳遍整個(gè)設(shè)備，例如，您的手機(jī)處于靜音或者震動(dòng)模式時(shí)便利用震動(dòng)提醒您。

 

不過，由于 ERM 的結(jié)構(gòu)問題，形成復(fù)雜波形的能力有限。每個(gè)波的頻率和振幅一起耦合至輸入控制電壓，讓設(shè)備僅能使用一個(gè)變量來產(chǎn)生不同的震動(dòng)效果。相比更新的技術(shù)，喚醒馬達(dá)讓其工作隨后再停止的這種方法存在一定的局限性，響應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)時(shí)間相對(duì)較慢。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于已存在相當(dāng)長一段時(shí)間，是目前可以使用的高成本效益方案之一。

 

TI中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品市場(chǎng)開發(fā)經(jīng)理信本偉

 

馬達(dá)技術(shù)也在延伸，新一代觸覺反饋技術(shù)是線性共振傳動(dòng)器(LRA)，也稱為線性馬達(dá)。它已得到許多新型手持設(shè)備廠商的廣泛采用，也是廠商們下一代關(guān)心的產(chǎn)品方向之一。據(jù)初步估算，目前30%智能手機(jī)已經(jīng)采用線性馬達(dá)，包括蘋果。LRA是一款以線性運(yùn)動(dòng)形式振動(dòng)的彈簧質(zhì)量塊。它以共振頻率工作的方式，讓驅(qū)動(dòng)器可以在更低功耗條件下運(yùn)行，功耗比ERM低，但是會(huì)受限于這一頻率。

 

盡管在頻率方面沒有了靈活性，但是仍然可以對(duì)輸入信號(hào)的振幅進(jìn)行調(diào)整。發(fā)出該信號(hào)的作用是增加額外的自由度和獨(dú)特的波形，而這些是使用ERM無法達(dá)到的。關(guān)于響應(yīng)時(shí)間，LRA也要?jiǎng)龠^ERM，因?yàn)樗鼈兛梢栽谝幻腌妰?nèi)輸入多個(gè)字母的操作提供按鍵確認(rèn)反饋，從而讓其成為手機(jī)短信或者任何輸入應(yīng)用的理想選擇。

 

TI中國區(qū)市場(chǎng)開發(fā)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理信本偉指出：“現(xiàn)在手持設(shè)備上所采用的轉(zhuǎn)子馬達(dá)劣勢(shì)在于啟動(dòng)慢、剎車慢，并且沒有方向性的導(dǎo)向，這樣的性能就不能滿足用戶體驗(yàn)的提升，特別是手機(jī)游戲、游戲機(jī)等娛樂觸覺需求。另外，線性馬達(dá)體積相對(duì)小一些，更適用新興應(yīng)用上的需求。所以線性馬達(dá)開始或已經(jīng)成為下一代主力產(chǎn)品進(jìn)入手持設(shè)備中。”

 

 

線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器DRV2603的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)
 

 

他還預(yù)計(jì)未來一兩年將會(huì)看到，隨著線性馬達(dá)被更廣泛的終端設(shè)備采用，成本會(huì)進(jìn)一步降低，節(jié)能、體積小的線性馬達(dá)將取代轉(zhuǎn)子馬達(dá)成為便攜式電子產(chǎn)品的主流選擇。

 

不過，線性馬達(dá)也有相應(yīng)的設(shè)計(jì)問題。LRA必須圍繞共振頻率在窄帶正負(fù)2個(gè)波幅之內(nèi)運(yùn)動(dòng)，如果LRA驅(qū)動(dòng)頻率移至共振頻率以外時(shí)，效率和性能都會(huì)大大降低。但由于彈簧常量的原因，每一個(gè)線性馬達(dá)的共振頻率還隨著應(yīng)用的范圍不同、彈簧的位移的距離、彈簧損耗、溫度波動(dòng)或者其他環(huán)境因素變化而改變。不僅如此，LRA的共振頻率還很容易發(fā)生漂移，造成漂移的原因包括制造容差、溫度變化、機(jī)械安裝、擺放位置等等。設(shè)計(jì)開發(fā)者就需要根據(jù)每一個(gè)線性馬達(dá)重新調(diào)整共振系統(tǒng)，這就成為需要解決的設(shè)計(jì)問題。“一旦找到共振頻率，它所需要驅(qū)動(dòng)的電流銳降50%，整體功耗也會(huì)下降50%。”信本偉表示。

 

“另一個(gè)觸覺反饋的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的驟起驟停。轉(zhuǎn)子馬達(dá)實(shí)現(xiàn)不了這個(gè)特性，往往在短間隔時(shí)間里感覺不到馬達(dá)的停頓，而LRA可以靠彈簧本身共振頻率來讓馬達(dá)快速制動(dòng)，更好的感受到振動(dòng)的停止，沒有粘滯感，這也是為什么LRA能夠替代ERM的主要原因之一。”信本偉分析說，“不過，LRA想實(shí)現(xiàn)這種制動(dòng)的動(dòng)作，當(dāng)然需要判斷出它的共振頻率以后才能實(shí)現(xiàn)。”

自動(dòng)共振檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器有諸多優(yōu)勢(shì)

 

實(shí)際上，要想利用好線性馬達(dá)，離不開給它最大支持的組件——驅(qū)動(dòng)器。TI日前推出了首款用于控制線性馬達(dá)，并支持自動(dòng)共振跟蹤的觸覺驅(qū)動(dòng)器DRV2603。信本偉表示，只有實(shí)現(xiàn)LRA共振頻率自動(dòng)跟蹤才可以發(fā)揮出LRA的優(yōu)勢(shì)來，TI采用獨(dú)特的邏輯算法實(shí)現(xiàn)了LRA共振頻率的自動(dòng)跟蹤，主要是通過檢測(cè)共振頻率的基準(zhǔn)點(diǎn)以及頻幅來實(shí)現(xiàn)。

 

信本偉介紹說，DRV2603的特性之一是既可以驅(qū)動(dòng)普通轉(zhuǎn)子馬達(dá)，也支持線性馬達(dá)。他繼續(xù)說：“最核心的特性在于LRA的自動(dòng)共振檢測(cè)。上面也提到每一個(gè)線性馬達(dá)都需要重新配置，那么DRV2603會(huì)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不同的線性馬達(dá)，甚至生產(chǎn)過程中的一些其他因素，來判斷共振頻率并匹配，只要手持設(shè)備帶有自動(dòng)檢測(cè)共振頻率的功能，那么不管怎樣更換馬達(dá)，它最終的性能表現(xiàn)都是完美的。”

 

自動(dòng)共振檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)還在于，在共振條件下，驅(qū)動(dòng)LRA提供的強(qiáng)度大概是原有的2倍，而且功耗降低，在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)擊/告警等觸感動(dòng)作中，與不支持自動(dòng)共振檢測(cè)的驅(qū)動(dòng)器相比功耗降低50%。功耗的降低對(duì)于今天的智能手機(jī)等便攜式電子設(shè)備的重要性不言而喻。

 

他還指出，因?yàn)閾碛凶詣?dòng)共振頻率的檢測(cè)，所以DRV2603還會(huì)提供更好的制動(dòng)效果，既迅速又精準(zhǔn)的停止傳動(dòng)器。該制動(dòng)對(duì)“敏銳”、“真切”的觸覺感受和對(duì)多動(dòng)作波形實(shí)現(xiàn)“動(dòng)作分離”(如雙擊)具有非常重要的意義。開發(fā)者可以因此設(shè)計(jì)出多種振動(dòng)效果，而不像轉(zhuǎn)子馬達(dá)那樣單一。此外，該驅(qū)動(dòng)器擁有自動(dòng)制動(dòng)算法，這對(duì)于開發(fā)者而言也會(huì)比較簡單。

 

另一些特性包括提供PWM輸入引腳、電源校正，使LRA的靈活性會(huì)更高。DRV2603還通過一些技術(shù)確保任何電源電壓條件下都可以啟動(dòng)恒定的振動(dòng)強(qiáng)度，而不會(huì)隨著電池電量的降低而減弱。“我們?cè)谌魏坞娫措妷合旅娑伎梢匀?dòng)這種恒定的振動(dòng)強(qiáng)度，也就是說可能我在5伏左右設(shè)定了一個(gè)振動(dòng)強(qiáng)度，當(dāng)我在電池電量掉到3伏的時(shí)候，我本身的振動(dòng)強(qiáng)度是不是就要變小呢？答案不是這樣的。”信本偉解釋說，“因?yàn)槲覀儠?huì)有一些技術(shù)來保證在3伏的時(shí)候，我們可以保證它的振動(dòng)強(qiáng)度是恒定的。”

 

DRV2603采取2mm×2mmQFN封裝，尺寸非常小，適用于手機(jī)、平板電腦、便攜式導(dǎo)航儀、便攜式游戲控制板等便攜式應(yīng)用。對(duì)于尺寸稍大的平板電腦，可以考慮在手握的兩邊各放一個(gè)線性馬達(dá)。

 

“DRV2603的優(yōu)勢(shì)還包括非常簡化輸入信號(hào)的方式，只需要10kHz-250kHz的PWM信號(hào)就可以，無需特定的輸入頻率。此外外圍無需多余器件，全部都集成在里面，只有一個(gè)小小的電容在外面，所以整個(gè)系統(tǒng)就非常小，與同類競(jìng)爭解決方案相比總體尺寸銳減66%。”他說。

 

值得一提的是，同樣是支持LRA的驅(qū)動(dòng)器，帶不帶自動(dòng)共振檢測(cè)功能對(duì)流耗影響很大，流耗是指馬達(dá)每“g”速度提升消耗的電流。“手持設(shè)備對(duì)功耗要求非常高，那么線性馬達(dá)在提高制動(dòng)力量的情況下，是不是會(huì)消耗更多的電流呢？實(shí)驗(yàn)證明，之前很多設(shè)備的耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于現(xiàn)在帶自動(dòng)共振檢測(cè)的設(shè)備的耗電量。”信本偉表示，“在平均流耗76.9毫安的時(shí)候，傳統(tǒng)方案速度提升1.1g，正規(guī)化電流是65.42mA/g，在采用DRV2603后，電流僅為傳統(tǒng)方案的三分之一，另外，速度提升2.46g，所以新方案有60%電流節(jié)省。”

 

目前，DRV2603樣片和評(píng)估板都已有現(xiàn)貨，據(jù)信本偉透露，已有部分國內(nèi)用戶正在做相應(yīng)的開發(fā)，預(yù)計(jì)今年年底前將會(huì)有應(yīng)用LRA產(chǎn)品的國產(chǎn)品牌手機(jī)面市。