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

作者：Diodes公司音频市场经理Leo Zhang

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，通常用于便携式、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元件组成，对装置施加电压时，陶瓷元件产生的压电效应，会让金属板变形。随着电压的变化，陶瓷元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，在不同的脉宽调制（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、蓝牙追踪器和便携式医疗设备。

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集成同步升压转换器。

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（2mmx2mm）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，对于便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。

一种典型应用
我们看看这种压电发声器的典型应用范例：便携式蓝牙追踪器。当追踪器距离持有者的智能手机太远，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。

审核编辑 黄宇