壓電發聲器驅動器如何在更寬廣的電池電壓範圍內提高聲壓級
作者：Ben Tang，电源产品业务发展经理
壓電發聲器在許多產品應用中，用來產生警告或警示音，通常用於可攜式、電池供電和節省空間的產品。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。
本文討論的內容為：為了提供必要的驅動電壓，對電路有哪些要求；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，如何在更廣的電池電壓範圍內，提供更高的輸出電壓 (因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 (BOM) 成本。
聲壓水準 (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。
一種傳統方法是使用電荷泵升壓轉換器，如圖 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，來驅動發聲器。
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，和可攜式醫療設備。
圖 1：具備電荷泵的壓電發聲器驅動器 (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。當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。
以電感器為基礎的升壓轉換器解決方案
代替電荷泵的另一種方法，是使用以電感器為基礎的升壓轉換器，來驅動壓電發聲器。舉例來說，圖 2 說明的典型電路利用了 Diodes 公司出品的 PAM8907 驅動器，其中包括一個以電感器為基礎的整合同步升壓轉換器。
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，其額定直流電流為 1A，這有助於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，驅動器採用了緊湊的 10 引腳 U-QFN2020 (2mm x 2mm) 封裝。
圖 2：PAM8907 (附電感升壓驅動器) 的典型產品應用電路
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，可說是備受推崇，對於可攜式電池供電產品應用來說，更是意義非凡。
為了盡可能延長電池壽命，PAM8907 驅動器具有自動關機和喚醒功能，而且關機電流小於 1µA。有 PWM 輸入信號時，這些功能可自動運作，以簡化系統設計。
產品應用範例
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，會發出響亮的警示聲—希望您再也不會遺失鑰匙/寵物。
圖 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 PAM8907 的 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 級別)，讓用戶可以根據外部因素改變聲音，舉例來說，如果持有者的智慧手機與追蹤裝置之間超過一定的距離，則使警報大響。
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，這種方式相較於電荷泵解決方案，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，PAM8907 提供了兩種不同的輸出電壓，可以彈性從中輕鬆選擇，因此可以針對不同的產品應用或條件改變音量。
Diodes 公司
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