壓電發聲器在寬電池電壓範圍實現更高聲壓級

作者 : Leo Zhang,Diodes音訊行銷經理

相較於電荷泵為基礎的方式,以電感器為基礎的升壓轉換器如何在更寬廣的電池電壓範圍內提供更高的輸出電壓,從而產生更響亮的聲音...

壓電發聲器(piezo sounder)能夠產生警告或警示音,通常用於可攜式、電池供電和節省空間的許多產品應用中。這些裝置由連接到金屬板上的陶瓷元件組成,對裝置施加電壓時,陶瓷元件產生的壓電效應會讓金屬板變形。隨著電壓的變化,陶瓷元件會跟著收縮和膨脹,連接的金屬板也因此振動而發出聲響。

壓電發聲器驅動起來相對簡易,在不同的脈寬調變(PWM)頻率下,就會產生不同的聲音,所以可以根據應用輕鬆修改。本文討論電路驅動電壓的必要條件;以及相較於電荷泵為基礎的方式,以電感器為基礎的升壓轉換器如何在更寬廣的電池電壓範圍內提供更高的輸出電壓,從而產生更響亮的聲音。

驅動壓電發聲器

使用壓電發聲器進行設計時,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成本(BoM)。

聲壓級(sound pressure level;SPL)定義為由聲音引起的氣壓變化,當我們討論聲音輸出或音量時,會使用這個術語。簡單來說,可以把它想成聲音有多大聲的指標。對於蜂鳴器或警示應用,通常會希望SPL越高越好,這代表要把驅動壓電發聲器的輸出電壓最大化。

傳統方法之一是使用電荷泵升壓轉換器,如1所示。在這個例子裡,Diodes公司的PAM8904E能用4.5V的電源(來自13.5V的電荷泵輸出)產生高達27V的峰值電壓(VPP)輸出,從而驅動發聲器。

PAM8904E具有彈性設計,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。藉由自動關機/喚醒控制,和非常低的關機電流(小於1µA),這種壓電發聲器驅動器和電荷泵的組合,適用於各種產品應用,例如安全警報、GPS定位器、藍牙追蹤器和便攜式醫療設備。

Figure 1: Piezo sounder driver (PAM8904E) with charge pump

1:具備電荷泵的壓電發聲器驅動器。

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。當電池的電壓因為放電而逐漸下降,輸出也跟著降低,同時導致SPL降低。在許多產品應用上,這是個希望能避開的特性,穩定的SPL更能確保始終滿足設計要求。

基於電感器的升壓轉換器方案

代替電荷泵的另一種方法,是使用以電感器為基礎的升壓轉換器,以驅動壓電發聲器。舉例來說,2說明的典型電路利用了Diodes PAM8907驅動器,其中包括一個以電感器為基礎的整合型同步升壓轉換器。

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),提供壓電發聲器22VPP或31VPP兩種電壓。這兩種電壓選項可以產生兩種等級不同的SPL,對於需要多級音量的產品應用大有裨益。例如,追蹤裝置一開始可能只會發出相對安靜的警報聲,如果用戶沒有反應,警報就會變得更大聲。這讓系統設計人員可以選擇較低的11V輸出電壓,以降低功耗並延長電池壽命。

為了配合升壓轉換器,只需要一個1.0µH的外部電感器,其額定直流電流(DC)為1A,這有助於保持較低的BoM,所需的電路板空間也降到最小。為了進一步縮小封裝尺寸,驅動器採用了緊湊的10接腳U-QFN2020 (2mmx2mm)封裝。

Figure 2: PAM8907 (with inductive boost driver) typical applications circuit

2:附加電感升壓驅動器的典型驅動器電路。

在轉換效率方面,使用10mA的IL時,PAM8907通常可以達到80%左右的效率。PAM8907具有高升壓比和低輸出電流,有利於以電池供電的可攜式產品應用。

為了盡可能延長電池壽命,該驅動器並具有自動關機和喚醒功能,而且關機電流小於1µA。透過PWM輸入訊號時,這些功能可自動運作,以簡化系統設計。

典型應用案例

我們看看這種壓電發聲器的典型應用範例:可攜式藍牙追蹤器。當追蹤器距離持有者的智慧型手機太遠時,就會發出響亮的警示聲——希望您再也不會遺失鑰匙/寵物。

Figure 3: Typical tracker applications

3:典型的追蹤器產品應用。

對於追蹤器而言,為了滿足消費者的期望,夠長的電池壽命非常重要。驅動器的低電流消耗和自動關機模式,能把功耗降到最低,延長電池的使用壽命。此外,當電池的電壓隨著放電週期增加而下降,可以藉由保持SPL不變來延長運作時間。

通常這一類應用在1.8V至5.5V輸入電壓範圍內,會使用CR2032或鋰離子電池。這種廣泛的輸入電壓範圍,代表許多不同的熱門電池組合,都能讓驅動器運作。

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

結論

利用以電感器為基礎的升壓轉換器來驅動壓電發聲器,這種方式比起電荷泵解決方案更具有關鍵的優勢,例如在電池因放電而輸出電壓降低時,還能提供不變且穩定的SPL。這種方法的另一個好處是,驅動器可提供兩種不同的輸出電壓,並能夠彈性地從中輕鬆選擇,因此可以針對不同的產品應用或條件改變音量。

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論