基于電感器的升壓轉(zhuǎn)換器解決方案

介紹

壓電發(fā)聲器在許多應(yīng)用中會產(chǎn)生警告或警報噪音，通常是在便攜式、電池供電和節(jié)省空間的產(chǎn)品中。這些設(shè)備由連接到金屬板上的陶瓷元件組成，其中陶瓷元件在施加電壓時利用壓電效應(yīng)扭曲其形狀。隨著電壓的變化，它會收縮和膨脹，因此連接的板會發(fā)出可聽見的振動。

壓電發(fā)聲器通過在不同的脈寬調(diào)制 （PWM） 頻率下提供不同的聲音來相對簡單地驅(qū)動，從而可以根據(jù)應(yīng)用輕松修改。

本文討論了提供必要驅(qū)動電壓的電路的要求，以及與基于電荷泵的方法相比，基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器如何在更寬的電池電壓范圍內(nèi)提供更高的電壓輸出（從而提供更響亮的聲音）。

驅(qū)動壓電發(fā)聲器

使用壓電發(fā)聲器進行設(shè)計時需要考慮幾個方面，包括功耗、聲音輸出、封裝尺寸和材料清單 （BOM） 成本。

當我們談?wù)撀曇糨敵龌蛞袅繒r，我們使用術(shù)語聲壓級 （SPL），它被定義為由聲音引起的氣壓變化。簡單來說，我們可以將其視為衡量聲音響度的指標。對于蜂鳴器或警報應(yīng)用，通常希望 SPL 盡可能高，這意味著要最大化驅(qū)動壓電發(fā)聲器的輸出電壓。

一種傳統(tǒng)方法是使用電荷泵升壓轉(zhuǎn)換器，如圖 1 所示。在此示例中，Diodes 公司的 PAM8904E 從 4.5V 電源產(chǎn)生 27V 峰峰值 （V PP ） 發(fā)聲器輸出，該電源來自13.5V 電荷泵輸出。

PAM8904E 具有靈活的設(shè)計，可以采用 1.5V 至 5.5V 之間的任何輸入電壓，以在 1x、2x 或 3x 模式下提供電荷泵輸出。通過自動關(guān)機/喚醒控制和非常低的關(guān)機電流（小于 1μA），這種壓電發(fā)聲器驅(qū)動器和電荷泵的組合非常適合各種應(yīng)用，例如安全警報、GPS 定位器、藍牙? 跟蹤器和便攜式醫(yī)用器材。

圖 1：帶電荷泵的壓電發(fā)聲器驅(qū)動器 （PAM8904E）

對于電荷泵解決方案，一個問題是輸出電壓與輸入電壓直接相關(guān)。當電池電壓逐漸放電下降時，輸出降低，因此SPL降低。這對于許多應(yīng)用程序來說是不可取的，而穩(wěn)定的 SPL 可以更好地確保始終滿足設(shè)計要求。

基于電感器的升壓轉(zhuǎn)換器解決方案

電荷泵的另一種方法是使用基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動壓電發(fā)聲器。例如，圖 2 顯示了一個使用 Diodes 的 PAM8907 驅(qū)動器的典型電路，其中包括一個基于電感器的集成同步升壓轉(zhuǎn)換器。

為了提高靈活性，可以使用 GPIO 選擇兩種不同的升壓輸出電壓——在本例中為 11V 和 15.6V——在壓電發(fā)聲器上提供 22V PP或 31V PP 。有兩個電壓選項可提供兩種不同級別的 SPL，這對于需要多級音量的應(yīng)用非常有用。例如，跟蹤器設(shè)備可能會以相對安靜的警報聲開始，然后如果用戶沒有響應(yīng)，則會轉(zhuǎn)向更響亮的警報。這允許系統(tǒng)設(shè)計人員選擇較低的 11V 輸出以降低功耗，從而延長電池壽命。

為了配合升壓轉(zhuǎn)換器，只需要一個 1.0μH 額定直流電流為 1A 的外部電感器。這有助于保持較低的物料清單成本并最大限度地減少所需的電路板空間。進一步減小尺寸，驅(qū)動器本身采用緊湊的 10 引腳 U-QFN2020 （2mm x 2mm） 封裝。

圖2：PAM8907（帶電感升壓驅(qū)動器）典型應(yīng)用電路

在轉(zhuǎn)換效率方面，當應(yīng)用 10mA的 I L時，PAM8907 通常會達到 80% 左右的效率。考慮到它的高升壓比和低輸出電流，這是非常受人尊敬的，并且對于便攜式電池供電應(yīng)用具有重要意義。

為了最大限度地延長電池壽命，PAM8907 驅(qū)動器具有自動關(guān)機和喚醒功能，關(guān)機電流小于 1μA。這些功能在 PWM 輸入信號下自動運行，以簡化系統(tǒng)設(shè)計。

示例應(yīng)用程序

讓我們簡要地看一下這種壓電發(fā)聲器的典型示例應(yīng)用：便攜式藍牙跟蹤器。當追蹤器離主人的智能手機太遠時，它會發(fā)出響亮的警報聲——所以你希望永遠不會再丟失你的鑰匙/寵物。

對于追蹤器而言，較長的電池壽命對于滿足消費者的期望至關(guān)重要。驅(qū)動器的低電流消耗和自動關(guān)機模式最大限度地降低了功耗，延長了電池的使用壽命。此外，當電池的電壓在其放電周期中下降時，可以通過保持 SPL 恒定來延長運行時間。

通常，此類應(yīng)用在 PAM8907 的 1.8V 至 5.5V 輸入電壓范圍內(nèi)使用 CR2032 或鋰離子電池。這種廣泛的范圍還意味著驅(qū)動程序能夠運行許多不同的流行單元組合。

跟蹤器還必須發(fā)出足夠響亮的聲音，電荷泵驅(qū)動器很難做到這一點，但升壓轉(zhuǎn)換器可以輕松實現(xiàn)。擁有兩種不同的輸出電壓（和 SPL 級別），用戶可以根據(jù)外部因素改變聲音，例如，如果用戶的智能手機與跟蹤器設(shè)備的距離超過一定距離，則使警報響亮。

結(jié)論

驅(qū)動壓電發(fā)聲器的基于電感器的升壓轉(zhuǎn)換器方法提供了優(yōu)于電荷泵解決方案的關(guān)鍵優(yōu)勢，例如在電池放電時提供恒定且穩(wěn)定的 SPL。這種方法的另一個好處是可以靈活地從 PAM8907 提供的兩種不同的輸出電壓中輕松選擇，從而可以針對不同的應(yīng)用或條件改變音量。