基于电感器的升压转换器解决方案

介绍

压电发声器在许多应用中会产生警告或警报噪音，通常是在便携式、电池供电和节省空间的产品中。这些设备由连接到金属板上的陶瓷元件组成，其中陶瓷元件在施加电压时利用压电效应扭曲其形状。随着电压的变化，它会收缩和膨胀，因此连接的板会发出可听见的振动。

压电发声器通过在不同的脉宽调制 （PWM） 频率下提供不同的声音来相对简单地驱动，从而可以根据应用轻松修改。

本文讨论了提供必要驱动电压的电路的要求，以及与基于电荷泵的方法相比，基于电感的升压转换器如何在更宽的电池电压范围内提供更高的电压输出（从而提供更响亮的声音）。

驱动压电发声器

使用压电发声器进行设计时需要考虑几个方面，包括功耗、声音输出、封装尺寸和材料清单 （BOM） 成本。

当我们谈论声音输出或音量时，我们使用术语声压级 （SPL），它被定义为由声音引起的气压变化。简单来说，我们可以将其视为衡量声音响度的指标。对于蜂鸣器或警报应用，通常希望 SPL 尽可能高，这意味着要最大化驱动压电发声器的输出电压。

一种传统方法是使用电荷泵升压转换器，如图 1 所示。在此示例中，Diodes 公司的 PAM8904E 从 4.5V 电源产生 27V 峰峰值 （V PP ） 发声器输出，该电源来自13.5V 电荷泵输出。

PAM8904E 具有灵活的设计，可以采用 1.5V 至 5.5V 之间的任何输入电压，以在 1x、2x 或 3x 模式下提供电荷泵输出。通过自动关机/唤醒控制和非常低的关机电流（小于 1µA），这种压电发声器驱动器和电荷泵的组合非常适合各种应用，例如安全警报、GPS 定位器、蓝牙® 跟踪器和便携式医用器材。

图 1：带电荷泵的压电发声器驱动器 （PAM8904E）

对于电荷泵解决方案，一个问题是输出电压与输入电压直接相关。当电池电压逐渐放电下降时，输出降低，因此SPL降低。这对于许多应用程序来说是不可取的，而稳定的 SPL 可以更好地确保始终满足设计要求。

基于电感器的升压转换器解决方案

电荷泵的另一种方法是使用基于电感的升压转换器来驱动压电发声器。例如，图 2 显示了一个使用 Diodes 的 PAM8907 驱动器的典型电路，其中包括一个基于电感器的集成同步升压转换器。

为了提高灵活性，可以使用 GPIO 选择两种不同的升压输出电压——在本例中为 11V 和 15.6V——在压电发声器上提供 22V PP或 31V PP 。有两个电压选项可提供两种不同级别的 SPL，这对于需要多级音量的应用非常有用。例如，跟踪器设备可能会以相对安静的警报声开始，然后如果用户没有响应，则会转向更响亮的警报。这允许系统设计人员选择较低的 11V 输出以降低功耗，从而延长电池寿命。

为了配合升压转换器，只需要一个 1.0µH 额定直流电流为 1A 的外部电感器。这有助于保持较低的物料清单成本并最大限度地减少所需的电路板空间。进一步减小尺寸，驱动器本身采用紧凑的 10 引脚 U-QFN2020 （2mm x 2mm） 封装。

图2：PAM8907（带电感升压驱动器）典型应用电路

在转换效率方面，当应用 10mA的 I L时，PAM8907 通常会达到 80% 左右的效率。考虑到它的高升压比和低输出电流，这是非常受人尊敬的，并且对于便携式电池供电应用具有重要意义。

为了最大限度地延长电池寿命，PAM8907 驱动器具有自动关机和唤醒功能，关机电流小于 1µA。这些功能在 PWM 输入信号下自动运行，以简化系统设计。

示例应用程序

让我们简要地看一下这种压电发声器的典型示例应用：便携式蓝牙跟踪器。当追踪器离主人的智能手机太远时，它会发出响亮的警报声——所以你希望永远不会再丢失你的钥匙/宠物。

对于追踪器而言，较长的电池寿命对于满足消费者的期望至关重要。驱动器的低电流消耗和自动关机模式最大限度地降低了功耗，延长了电池的使用寿命。此外，当电池的电压在其放电周期中下降时，可以通过保持 SPL 恒定来延长运行时间。

通常，此类应用在 PAM8907 的 1.8V 至 5.5V 输入电压范围内使用 CR2032 或锂离子电池。这种广泛的范围还意味着驱动程序能够运行许多不同的流行单元组合。

跟踪器还必须发出足够响亮的声音，电荷泵驱动器很难做到这一点，但升压转换器可以轻松实现。拥有两种不同的输出电压（和 SPL 级别），用户可以根据外部因素改变声音，例如，如果用户的智能手机与跟踪器设备的距离超过一定距离，则使警报响亮。

结论

驱动压电发声器的基于电感器的升压转换器方法提供了优于电荷泵解决方案的关键优势，例如在电池放电时提供恒定且稳定的 SPL。这种方法的另一个好处是可以灵活地从 PAM8907 提供的两种不同的输出电压中轻松选择，从而可以针对不同的应用或条件改变音量。