节能压电触觉驱动器是触摸传感器最好的朋友

触觉传感技术具有呈现复杂触觉体验的能力，在便携式应用中越来越受欢迎。功耗过大是当前压电触觉驱动器实现的一个问题。虽然压电致动器代表容性负载，但驱动它需要消耗相当大的功率。该设计解决方案回顾了当前压电触觉驱动器实现的缺点，并引入了一种基于升压转换器的新型再生方案，可最大限度地降低功耗，有助于最大限度地延长便携式产品的电池寿命。

介绍

在您最后一次徒步旅行中，您可能已经拍了一张美丽而野生的生物，蛇的照片！您是否想将手指移到它的鳞片上以感受其光滑的形状？不久之后，您也许可以做到这一点 - 没有被咬的风险。在触觉的帮助下，通过向用户施加力、振动或运动来利用触觉的触觉反馈技术正在突飞猛进地发展，并且很快就能够呈现上述复杂纹理的感觉。更平凡的是，研究表明，平均而言，虚拟键盘用户在提供触觉反馈时会更快地完成打字任务。

为了实现这一目标，触觉技术正在超越振动电机的基本选项，并利用压电执行器技术的灵活性。

压电陶瓷促动器

压电致动器将电信号转换为精确控制的物理位移。需要几百赫兹频率的数百伏信号才能产生有意义的位移（图 2）。正如人耳感知某些频率的声音比其他声音更响亮一样，振动的强度也不同。与在听觉过程中一样，触觉体验的强度与振动信号的频率和幅度成正比。改变振动强度和模式会产生几乎无限数量的组合、节奏或信息。当压电陶瓷促动器在低于其电谐振频率时，压电陶瓷促动器本质上是电容性的。与竞争技术相比，基于压电陶瓷的触觉具有多种优势， 包括快速响应时间， 薄型， 低功耗， 以及广泛的可用压电特性和安装技术.

图2.典型的压电触觉驱动器波形。

触觉系统

图3显示了多通道触觉系统的高级框图。例如，当用户敲击按键时，电容式触摸传感器 IC 会检测到动作并将信息报告给微处理器，微处理器指示压电触觉驱动器将适当的振动模式应用于使用高压多路复用器选择的压电陶瓷元件。因此，用户会收到敲击钥匙的身体感觉。当然，要做到这一点，环路响应必须比操作员检测时间滞后更快。延迟为 5 毫秒或更短的触觉事件将被用户视为同时发生。

图3.多通道触觉系统示例。

典型解决方案

图4显示了用于便携式设备的典型压电触觉驱动器IC实现方案。升压转换器将锂离子电池电压升压至60V，为AB类放大器提供必要的高压电源。

图 4.典型的触觉驱动器解决方案。

该解决方案需要很大的输入功率，而输入功率在IC中耗散。高功率耗散在便携式应用中存在问题。首先，AB类线性放大器本质上是耗散的（比如效率为60%），而升压转换器则通过其自身的有限效率（比如85%）来增加损耗。例如，1μF电容和100V电压P-P在 200Hz 时，负载加起来为 1W：

P = 1/2 CV2f = 0.5 x 10-6x 1002x 200 = 1W

当系统效率为50%（085 x 0.6）时，来自电池的输入功率加起来高达2W，功耗在IC上。

理想的解决方案

理想的解决方案是回收电容器能量而不是耗散能量。一种解决方案是使用D类放大器而不是AB类放大器。这样，放大器损耗最小，但升压转换器损耗仍然存在。此外，D类放大器解决方案需要一个体积庞大且会引入额外损耗的复杂输出滤波器。

下一步是将放大和升压功能组合到一个电路中，如图5所示。请注意，与升压转换器时钟频率（约500kHz）相比，200Hz的高电压波形非常慢，导致开关稳压器的输出变化缓慢。图5还显示了触觉电压和电流波形及其幅度、符号和相位关系。在正半波周期内，电感电流为电容器/压电充电。在负半波期间，电流通过整流MOSFET晶体管T返回输入电容1，导通时传导反向电流。结果是一种能量回收方案，除了与开关损耗和有限R相关的损失外，几乎没有产生任何损失。DS（ON）的 MOSFET 晶体管。请注意，控制器 IC 是一种经济高效的低压器件，只有外部 MOSFET 和无源器件是高压器件。电容 CHV 在低压驱动器和高压 MOSFET 栅极之间实现必要的电平转换。

图5.升压转换器再生解决方案。

高效压电触觉执行器驱动器

例如，MAX77501为压电触觉促动器的高效驱动器，优化用于驱动高达2μF的压电陶瓷元件。它可以产生高达110V的单端触觉波形P-P幅度来自2.8V至5.5V输入电源或单节Li+电池。支持触觉波形的内存回放 （RAM） 和实时流 （FIFO）。25MHz SPI接口提供完整的系统访问和控制，包括故障报告和监控。这允许从关断开始的快速600μs回放启动时间。板载存储器可以动态分配为多波形存储或FIFO缓冲器。该 IC 还实现了超低功耗升压架构，为触觉致动器驱动器提供最低功耗的解决方案。内置欠压锁定 （UVLO）、逐周期过流限制、过压和热关断保护功能可确保在异常工作条件下安全运行。该 IC 采用 30 焊球、0.4mm 间距的晶圆级封装 （WLP）。

结论

压电致动器是现代触觉传感系统的关键元件，有助于为与电池供电、手持和可穿戴设备中的电子显示器交互的用户提供触觉反馈。典型的压电触觉驱动器复杂且耗电。本设计方案回顾了一种典型实现方案，其中驱动压电陶瓷的AB类放大器和产生高压电源的升压转换器消耗了大量功率。随后，它介绍了一种新颖的再生实现方案，其中升压转换器既是高压源，又是驱动消耗交流电流的容性压电陶瓷元件的放大器。升压转换器电感电流在为正时对压电电容充电。当为负值时，能量返回到输入电容器，有效地实现再生机制，最大限度地减少功率损耗，从而最大限度地延长便携式电池寿命。

审核编辑：郭婷