學(xué)技術(shù) | 壓電發(fā)聲器驅(qū)動器如何在更寬廣的電池電壓范圍內(nèi)提高聲壓級

簡介

壓電發(fā)聲器在許多產(chǎn)品應(yīng)用中，用來產(chǎn)生警告或警示音，通常用于可攜式、電池供電和節(jié)省空間的產(chǎn)品。這些裝置由連接到金屬板上的陶瓷組件組成，對裝置施加電壓時，陶瓷組件產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，會讓金屬板變形。隨著電壓的變化，陶瓷組件會跟著收縮和膨脹，連接的金屬板也因此振動而發(fā)出聲響。

壓電發(fā)聲器驅(qū)動起來相對簡易，在不同的脈寬調(diào)變 (PWM) 頻率下，就會產(chǎn)生不同的聲音，所以可以根據(jù)應(yīng)用輕松修改。

本文討論的內(nèi)容為：為了提供必要的驅(qū)動電壓，對電路有哪些要求；以及相較于電荷泵為基礎(chǔ)的方式，以電感器為基礎(chǔ)的升壓轉(zhuǎn)換器，如何在更廣的電池電壓范圍內(nèi)，提供更高的輸出電壓 (因而產(chǎn)生更響亮的聲音)。

驅(qū)動壓電發(fā)聲器

使用壓電發(fā)聲器進行設(shè)計時，有幾個方面需要列入考慮，包括功耗、聲音輸出、封裝尺寸和物料清單 (BOM) 成本。

聲壓水平 (SPL) 定義為由聲音引起的氣壓變化，當(dāng)我們討論聲音輸出或音量時，會使用這個術(shù)語。簡單來說，可以把它想成聲音有多大聲的指標(biāo)。對于蜂鳴器或警示應(yīng)用，通常會希望 SPL 越高越好，這代表要把驅(qū)動壓電發(fā)聲器的輸出電壓最大化。

一種傳統(tǒng)方法是使用電荷泵升壓轉(zhuǎn)換器，如圖 1 所示。在這個例子里，Diodes 公司的 PAM8904E 能用 4.5V 的電源 (來自 13.5V 的電荷泵輸出) 產(chǎn)生高達 27V 的峰值電壓 (VPP) 輸出，來驅(qū)動發(fā)聲器。

PAM8904E 具有彈性設(shè)計，輸入電壓可以從 1.5V 到 5.5V，用來在 1x、2x 或 3x 模式下提供電荷泵輸出。藉由自動關(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，適用于各種產(chǎn)品應(yīng)用，例如安全警報、GPS 定位器、藍牙 追蹤器，和可攜式醫(yī)療設(shè)備。

圖 1：具備電荷泵的壓電發(fā)聲器驅(qū)動器 (PAM8904E)

具備電荷泵的解決方案有一個隱憂，就是輸出電壓與輸入電壓直接相關(guān)。當(dāng)電池的電壓因為放電而逐漸下降，輸出也跟著降低，同時也導(dǎo)致 SPL 降低。在許多產(chǎn)品應(yīng)用上，這是個希望能避開的特性，穩(wěn)定的 SPL 更能確保始終滿足設(shè)計要求。

以電感器為基礎(chǔ)的升壓轉(zhuǎn)換器解決方案

代替電荷泵的另一種方法，是使用以電感器為基礎(chǔ)的升壓轉(zhuǎn)換器，來驅(qū)動壓電發(fā)聲器。舉例來說，圖 2 說明的典型電路利用了 Diodes公司 出品的 PAM8907 驅(qū)動器，其中包括一個以電感器為基礎(chǔ)的整合同步升壓轉(zhuǎn)換器。

在這個例子中，為了增加彈性，可以利用 GPIO 選擇兩種不同的升壓輸出電壓 (有 11V 和 15.6V 可供選擇)，提供壓電發(fā)聲器 22VPP 或 31VPP 兩種電壓。這兩種電壓選項，可以產(chǎn)生兩種等級不同的 SPL，對于需要多級音量的產(chǎn)品應(yīng)用大有裨益。例如，追蹤裝置一開始可能只會發(fā)出相對安靜的警報聲，如果用戶沒有反應(yīng)，警報就會變得更大聲。這讓系統(tǒng)設(shè)計人員可以選擇較低的 11V 輸出電壓，以降低功耗并延長電池壽命。

為了配合升壓轉(zhuǎn)換器，只需要一個 1.0μH 的外部電感器，其額定直流電流為 1A，這有助于保持較低的物料清單成本，所需的電路板空間也降到最小。為了進一步縮小封裝尺寸，驅(qū)動器采用了緊湊的 10 引腳 U-QFN2020 (2mm x 2mm) 封裝。

圖 2：PAM8907 (附電感升壓驅(qū)動器) 的典型產(chǎn)品應(yīng)用電路

在轉(zhuǎn)換效率方面，使用 10mA 的 IL 時，PAM8907 通?？梢赃_到 80% 左右的效率。PAM8907 具有高升壓比和低輸出電流，可說是備受推崇，對于可攜式電池供電產(chǎn)品應(yīng)用來說，更是意義非凡。

為了盡可能延長電池壽命，PAM8907 驅(qū)動器具有自動關(guān)機和喚醒功能，而且關(guān)機電流小于 1μA。有 PWM 輸入信號時，這些功能可自動運作，以簡化系統(tǒng)設(shè)計。

產(chǎn)品應(yīng)用范例

我們看看這種壓電發(fā)聲器的典型應(yīng)用范例：可攜式藍牙追蹤器。當(dāng)追蹤器距離持有者的智能型手機太遠，會發(fā)出響亮的警示聲—希望您再也不會遺失鑰匙/寵物。

對于追蹤器而言，為了滿足消費者的期望，夠長的電池壽命非常重要。驅(qū)動器的低電流消耗，和自動關(guān)機模式，能把功耗降到最低，延長電池的使用壽命。此外，當(dāng)電池的電壓隨著放電周期增加而下降，可以藉由保持 SPL 不變來延長運作時間。

通常這一類應(yīng)用在 PAM8907 的 1.8V 至 5.5V 輸入電壓范圍內(nèi)，會使用 CR2032 或鋰離子電池。這種廣泛的輸入電壓范圍，代表許多不同的熱門電池組合，都能讓驅(qū)動器運作。

追蹤器必須能發(fā)出能讓人清楚聽到的響亮聲音，但是電荷泵驅(qū)動器很難做到這一點，不過升壓轉(zhuǎn)換器卻可以輕松辦到。具備兩種不同的輸出電壓 (和 SPL 級別)，讓用戶可以根據(jù)外部因素改變聲音，舉例來說，如果持有者的智能手機與追蹤裝置之間超過一定的距離，則使警報大響。

結(jié)論

利用以電感器為基礎(chǔ)的升壓轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動壓電發(fā)聲器，這種方式相較于電荷泵解決方案，具有關(guān)鍵的優(yōu)勢，例如在電池因放電而輸出電壓降低時，還能提供不變且穩(wěn)定的 SPL。這種方法的另一個好處是，PAM8907 提供了兩種不同的輸出電壓，可以彈性從中輕松選擇，因此可以針對不同的產(chǎn)品應(yīng)用或條件改變音量。