学技术 | 压电发声器驱动器如何在更宽广的电池电压范围内提高声压级

 

简介

压电发声器在许多产品应用中，用来产生警告或警示音，通常用于可携式、电池供电和节省空间的产品。这些装置由连接到金属板上的陶瓷组件组成，对装置施加电压时，陶瓷组件产生的压电效应，会让金属板变形。随着电压的变化，陶瓷组件会跟着收缩和膨胀，连接的金属板也因此振动而发出声响。

 

压电发声器驱动起来相对简易，在不同的脉宽调变 (PWM) 频率下，就会产生不同的声音，所以可以根据应用轻松修改。

 

本文讨论的内容为：为了提供必要的驱动电压，对电路有哪些要求；以及相较于电荷泵为基础的方式，以电感器为基础的升压转换器，如何在更广的电池电压范围内，提供更高的输出电压 (因而产生更响亮的声音)。

 

驱动压电发声器

 

使用压电发声器进行设计时，有几个方面需要列入考虑，包括功耗、声音输出、封装尺寸和物料清单 (BOM) 成本。

 

声压水平 (SPL) 定义为由声音引起的气压变化，当我们讨论声音输出或音量时，会使用这个术语。简单来说，可以把它想成声音有多大声的指标。对于蜂鸣器或警示应用，通常会希望 SPL 越高越好，这代表要把驱动压电发声器的输出电压最大化。

 

一种传统方法是使用电荷泵升压转换器，如图 1 所示。在这个例子里，Diodes 公司的 PAM8904E 能用 4.5V 的电源 (来自 13.5V 的电荷泵输出) 产生高达 27V 的峰值电压 (VPP) 输出，来驱动发声器。

 

PAM8904E 具有弹性设计，输入电压可以从 1.5V 到 5.5V，用来在 1x、2x 或 3x 模式下提供电荷泵输出。藉由自动关机/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，适用于各种产品应用，例如安全警报、GPS 定位器、蓝牙 追踪器，和可携式医疗设备。

图 1：具备电荷泵的压电发声器驱动器 (PAM8904E)
 

 

具备电荷泵的解决方案有一个隐忧，就是输出电压与输入电压直接相关。当电池的电压因为放电而逐渐下降，输出也跟着降低，同时也导致 SPL 降低。在许多产品应用上，这是个希望能避开的特性，稳定的 SPL 更能确保始终满足设计要求。

 

以电感器为基础的升压转换器解决方案

代替电荷泵的另一种方法，是使用以电感器为基础的升压转换器，来驱动压电发声器。举例来说，图 2 说明的典型电路利用了 Diodes公司 出品的 PAM8907 驱动器，其中包括一个以电感器为基础的整合同步升压转换器。

 

在这个例子中，为了增加弹性，可以利用 GPIO 选择两种不同的升压输出电压 (有 11V 和 15.6V 可供选择)，提供压电发声器 22VPP 或 31VPP 两种电压。这两种电压选项，可以产生两种等级不同的 SPL，对于需要多级音量的产品应用大有裨益。例如，追踪装置一开始可能只会发出相对安静的警报声，如果用户没有反应，警报就会变得更大声。这让系统设计人员可以选择较低的 11V 输出电压，以降低功耗并延长电池寿命。

 

为了配合升压转换器，只需要一个 1.0µH 的外部电感器，其额定直流电流为 1A，这有助于保持较低的物料清单成本，所需的电路板空间也降到最小。为了进一步缩小封装尺寸，驱动器采用了紧凑的 10 引脚 U-QFN2020 (2mm x 2mm) 封装。

图 2：PAM8907 (附电感升压驱动器) 的典型产品应用电路
 

 

在转换效率方面，使用 10mA 的 IL 时，PAM8907 通常可以达到 80% 左右的效率。PAM8907 具有高升压比和低输出电流，可说是备受推崇，对于可携式电池供电产品应用来说，更是意义非凡。

 

为了尽可能延长电池寿命，PAM8907 驱动器具有自动关机和唤醒功能，而且关机电流小于 1µA。有 PWM 输入信号时，这些功能可自动运作，以简化系统设计。

 

产品应用范例

我们看看这种压电发声器的典型应用范例：可携式蓝牙追踪器。当追踪器距离持有者的智能型手机太远，会发出响亮的警示声—希望您再也不会遗失钥匙/宠物。

 

 

对于追踪器而言，为了满足消费者的期望，够长的电池寿命非常重要。驱动器的低电流消耗，和自动关机模式，能把功耗降到最低，延长电池的使用寿命。此外，当电池的电压随着放电周期增加而下降，可以藉由保持 SPL 不变来延长运作时间。

 

通常这一类应用在 PAM8907 的 1.8V 至 5.5V 输入电压范围内，会使用 CR2032 或锂离子电池。这种广泛的输入电压范围，代表许多不同的热门电池组合，都能让驱动器运作。

 

追踪器必须能发出能让人清楚听到的响亮声音，但是电荷泵驱动器很难做到这一点，不过升压转换器却可以轻松办到。具备两种不同的输出电压 (和 SPL 级别)，让用户可以根据外部因素改变声音，举例来说，如果持有者的智能手机与追踪装置之间超过一定的距离，则使警报大响。

 

结论

利用以电感器为基础的升压转换器来驱动压电发声器，这种方式相较于电荷泵解决方案，具有关键的优势，例如在电池因放电而输出电压降低时，还能提供不变且稳定的 SPL。这种方法的另一个好处是，PAM8907 提供了两种不同的输出电压，可以弹性从中轻松选择，因此可以针对不同的产品应用或条件改变音量。