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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

关键词:压电发声器 升压转换器

时间:2022-05-13 14:09:44      来源:网络

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。

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。


图3:典型的追踪器产品应用

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。

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