用簡單的升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動壓電蜂鳴器

1.前言

壓電蜂鳴器是一種利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生聲音的揚(yáng)聲器。其重量輕、結(jié)構(gòu)簡單且價(jià)格低廉，可用于多種應(yīng)用，例如家用電器、共享單車和報(bào)警設(shè)備。典型的壓電蜂鳴器是由粘附在金屬板上的壓電陶瓷制成。該板通常放置在塑料外殼中以改善聲音壓力。

壓電陶瓷是一種人造材料，它利用了雅克和皮埃爾居里在 1880 年發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)。施加振蕩電場會導(dǎo)致陶瓷材料拉伸或收縮。陶瓷材料的變形使金屬板向兩個(gè)方向彎曲并在空氣中產(chǎn)生聲波，如圖1所示。將板組裝到塑料外殼中可以提高蜂鳴器的聲壓。

圖 1：壓電蜂鳴器的工作原理

當(dāng)以等于其諧振頻率的頻率驅(qū)動時(shí)，壓電蜂鳴器具有最高的聲壓。因此，它通常用于音量和高音要求比音質(zhì)更重要的應(yīng)用中。在共享單車應(yīng)用中，智能鎖中使用壓電蜂鳴器，即使在嘈雜的街道等條件下，也能清晰地指示鎖狀態(tài)。蜂鳴器作為報(bào)警設(shè)備或在家用電器中的功能是相同的。

2.驅(qū)動方案

在壓電蜂鳴器中，如果以諧振頻率驅(qū)動，聲壓主要取決于電壓幅度。驅(qū)動電壓越高，聲壓越高。以村田的PKM13EPYH4002為例，最大驅(qū)動電壓幅度30V，產(chǎn)生的聲壓最高。但共享單車智能鎖或報(bào)警器中的電池通常是單節(jié)鋰離子電池或串聯(lián)的堿性電池。電池電壓不高于4.2V——遠(yuǎn)低于電壓要求。因此，需要一個(gè)升壓拓?fù)潆娐穪磙D(zhuǎn)換電壓。此外，升壓電路應(yīng)具有較小的關(guān)斷電流，以延長電池壽命。壓電蜂鳴器大部分時(shí)間是關(guān)閉的，只有在必要時(shí)才開啟。

TI 的 TLV61046A 的輸入電壓范圍為 1.8V 至 5.5V，涵蓋了兩節(jié)串聯(lián)堿性電池、一節(jié)鋰離子電池和一個(gè) 3.3V、5V 總線電源系統(tǒng)。最大輸出電壓為 28V，具有 29V 過壓保護(hù) (OVP)。當(dāng)反饋電阻分壓器在制造過程中被錯(cuò)誤焊接時(shí)，OVP 功能可以保護(hù)升壓轉(zhuǎn)換器和負(fù)載免受損壞。

TLV61046A 的輸入峰值電流設(shè)置為 980mA，足以驅(qū)動壓電蜂鳴器。逐周期限流和短路保護(hù)功能可在短路情況下保護(hù)轉(zhuǎn)換器和電源。

TLV61046A 還集成了一個(gè)功率整流二極管和一個(gè)隔離式金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。整流二極管消除了傳統(tǒng)高壓升壓轉(zhuǎn)換器中的外部肖特基二極管，并降低了成本和解決方案尺寸。當(dāng)器件被禁用以降低電流消耗時(shí)，隔離式 MOSFET 會斷開從電源到負(fù)載的電流路徑。由于其高度集成，TLV61046A 升壓解決方案的實(shí)施很簡單，如圖 2 所示。

圖 2：TLV61046A 原理圖

正如我上面提到的，需要一個(gè)振蕩電壓來驅(qū)動壓電蜂鳴器。一個(gè) N 溝道 P 溝道 N 溝道 (NPN) 晶體管可以產(chǎn)生振蕩電壓，如圖 3 所示。TLV61046A 的輸出電壓設(shè)置為最大 28V。LS是壓電蜂鳴器。脈寬調(diào)制 (PWM) 是來自微控制器輸入/輸出 (I/O) 引腳的信號。如果需要最高聲壓，PWM 信號的頻率應(yīng)等于蜂鳴器的諧振頻率。R4 限制 I/O 引腳的輸出電流。當(dāng)PWM信號高于0.7V時(shí)，Q1導(dǎo)通，LS充電至28V。當(dāng)PWM信號為零時(shí)，Q1關(guān)斷，R3對LS放電。LS兩端的電壓在工作過程中為方波，如圖4所示。

圖 3：28V 壓電蜂鳴器驅(qū)動器的簡化原理圖

圖 4：28V 壓電蜂鳴器驅(qū)動器的工作波形

使用 TLV61046A 也可以驅(qū)動電壓幅度為 ±15V 或更高的壓電蜂鳴器；圖 5 顯示了生成該電壓的簡化原理圖。輸出電壓設(shè)置為 15V?；诙O管的簡單電荷泵電路輸出 30V。Q1 和 Q2 形成圖騰柱電路，以大約 30V 或 0V 驅(qū)動 LS 的負(fù)極。因此，LS 兩端的電壓是一個(gè)±15V 的矩形波形。

圖 6 顯示了該電路的工作波形。通過將TLV61046A的輸出電壓設(shè)置為28V，蜂鳴器的驅(qū)動電壓可以高達(dá)±28V，大大提高了聲壓。

圖 5：±15V 壓電蜂鳴器驅(qū)動器的簡化原理圖

圖 6：±15V 壓電蜂鳴器驅(qū)動器的工作波形

TLV61046A 高度集成的升壓轉(zhuǎn)換器具有寬輸入電壓和高達(dá) 28V 的輸出電壓。其豐富的特性使其不僅可以輕松用于壓電蜂鳴器驅(qū)動器，還可以用于無源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管 (PMOLED)、高邊 MOSFET 驅(qū)動器和液晶顯示 (LCD) 面板。