新型陶瓷壓電揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：隨著便攜式消費(fèi)電子的發(fā)展，人們對(duì)便攜式電子設(shè)備小型輕薄的要求越來(lái)越高，陶瓷壓電揚(yáng)聲囂以其超輕，超薄，高效，無(wú)需大音腔等特點(diǎn)逐漸被眾多便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品所青昧。本文對(duì)比傳統(tǒng)動(dòng)圈型揚(yáng)聲器，分析了新型陶瓷壓電揚(yáng)聲器的特點(diǎn)及對(duì)所需音頻功率放大器的要求，對(duì)各種常用升壓結(jié)構(gòu)及音頻功率放大器進(jìn)行對(duì)比、分析，并測(cè)試了多種升壓結(jié)構(gòu)及音頻功率放大器配合陶瓷壓電揚(yáng)聲器的相關(guān)數(shù)據(jù)及使用效果，從音壓、效率、總諧波失真等各方面考慮。得出使用Boost升壓結(jié)構(gòu)，配合D類音頻功率放大器驅(qū)動(dòng)新型陶瓷壓電揚(yáng)聲器是能夠獲得最折衷的解決方案。
關(guān)鍵詞：新型陶瓷壓電揚(yáng)聲器；專頻放大器；Boost；Class-D

1 便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)
    便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。

    隨著便攜式消費(fèi)電子的發(fā)展，人們對(duì)便攜式電子設(shè)備小型輕薄的要求越來(lái)越高，陶瓷壓電揚(yáng)聲器以其超輕，超薄，高效，無(wú)需大音腔等特點(diǎn)逐漸被眾多便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品所青睞。便攜式消費(fèi)產(chǎn)品向著超薄輕小的方向發(fā)展，怎樣做到外形纖薄，并且延長(zhǎng)單次充電電池使用時(shí)間已成為各類消費(fèi)產(chǎn)品的主要設(shè)計(jì)考慮。這樣的系統(tǒng)需求對(duì)單個(gè)電子元器件提出了更薄、更小、更省電的要求。

2 陶瓷壓電揚(yáng)聲器的基本特點(diǎn)
    與動(dòng)圈式揚(yáng)聲器相比，壓電揚(yáng)聲器的振膜是被粘接在它上面的壓電材料帶動(dòng)產(chǎn)生彎曲的，因此振膜的外形幾乎沒有限制，而動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的振膜或紙盆通常都是圓形或者橢圓形的，這樣常會(huì)限制產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)。所有的動(dòng)圈式揚(yáng)聲器都必須有一個(gè)磁鐵以驅(qū)動(dòng)音圈，這樣就增加了揚(yáng)聲器的總體高度及重量，但是陶瓷壓電揚(yáng)聲器卻無(wú)需磁鐵驅(qū)動(dòng)，這樣就可以達(dá)到一種很薄的外形從而降低終端產(chǎn)品的高度。
    面對(duì)設(shè)計(jì)小巧的手機(jī)和越來(lái)越薄的電腦，動(dòng)圈式揚(yáng)聲器成為制造商能否生產(chǎn)出超薄產(chǎn)品的制約因素。陶瓷壓電揚(yáng)聲器能以超薄、緊湊的封裝提供極具競(jìng)爭(zhēng)力的聲壓電平(SPL)，具有取代傳統(tǒng)的動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的巨大潛力。陶瓷壓電和動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的主要區(qū)別如表1所示。

    驅(qū)動(dòng)陶瓷壓電揚(yáng)聲器的放大器電路有與驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器不同的輸出驅(qū)動(dòng)要求。陶瓷壓電揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)要求放大器驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載，并在較高的頻率下輸出更大的電流，同時(shí)保持高輸出電壓。傳統(tǒng)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器的效率很容易計(jì)算。音頻線圈繞組可以近似為固定電阻與一個(gè)大電感串聯(lián)。如果已知揚(yáng)聲器電阻，可用歐姆定律計(jì)算負(fù)載功率：P=I2R，或P=VI。揚(yáng)聲器的大部分功率被轉(zhuǎn)變成線圈的熱量。由于陶瓷壓電揚(yáng)聲器具有電容特性，因此消耗功率時(shí)產(chǎn)生的熱量不高。

    圖2為一陶瓷壓電揚(yáng)聲器在1 kHz，90 dB(測(cè)定距離10 cm)聲壓下的波形圖，電壓為8 V、電流為15．6 mA，電壓和電流之間的相位差是79．2°，所以功耗就是8×15．6×cos79．2°=23mW。它相當(dāng)于一個(gè)直徑20mm的動(dòng)圈式揚(yáng)聲器在90dB(測(cè)定距離10cm)聲壓下功耗的18％。

3 陶瓷壓電揚(yáng)聲器的工作原理
    如圖3所示，兩片單層壓電陶瓷分別粘接在同一片薄金屬薄的兩面上，他們組合起來(lái)被稱作振膜。當(dāng)上壓電片伸展、下壓電片收縮時(shí)，振膜就向上彎曲，當(dāng)上壓電片收縮、下壓電片伸長(zhǎng)時(shí)，振膜就會(huì)向下彎曲。所以，當(dāng)給振膜加上一個(gè)交變電壓，它就會(huì)隨著電壓的交替變化
而上下振動(dòng)。位移量與輸入信號(hào)的幅度成正比。壓電薄膜的振動(dòng)使周圍空氣流動(dòng)，從而發(fā)出聲音。揚(yáng)聲器電壓升高時(shí)，壓電元件變形加劇，形成更大的聲壓，從而增加了音量。

4 驅(qū)動(dòng)陶瓷壓電揚(yáng)聲器對(duì)放大器的要求
    陶瓷壓電揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)的技術(shù)要求必須能產(chǎn)生高壓擺幅，并穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載，封裝小巧。由于便攜式單一電源供電大多是USB(5 V)或者鋰電池(4．2 V)供電，若要產(chǎn)生高壓擺幅，需要采用一些升壓技術(shù)，目前市面上成熟的技術(shù)有電荷泵和升壓型兩種，它們的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2所示。

    目前市面上主流的音頻放大器結(jié)構(gòu)有Class-AB，Class-G，Class-D，Class-H可供選擇，各種優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。
    采用升壓+Class D配合陶瓷壓電喇叭比較其他解決方案可以節(jié)約50％左右的功耗。平均消耗功率和功放類別如圖4所示。

5 PAM8902的應(yīng)用電路及主要功能介紹
    PAM8902采用升壓+Class-D的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，典型應(yīng)用電路如圖5所示。PAM8902采用WLCSP2×2 mm和QFN4×4的微小尺寸封裝。PAM8902工作電壓范圍為2．5～5．5 V，適用于單電源工作的便攜式產(chǎn)品。升壓部分，通過(guò)VOSETpin選擇置低，浮空，置高，可以選擇DC-DC輸出電壓，分別為8 V／12 V／17．5 V，這樣可以對(duì)不同規(guī)格的揚(yáng)聲器根據(jù)聲壓要求進(jìn)行選擇。音頻驅(qū)動(dòng)部分，PAM8902采用特有的單邊調(diào)制技術(shù)，可以有效抑制Class-D本身的EMI缺陷。增益大小調(diào)制，通過(guò)GSET、pin選擇置低，浮空，置高，Class-D的增益可以選擇為18 dB／22 dB／26 dB，根據(jù)聲壓需求可以很方便的選擇。

    輸出部分串聯(lián)電感和電阻的作用主要是為了防止陶瓷喇叭出現(xiàn)高頻短路。Auto-standby功能，PAM8902通過(guò)檢測(cè)INP輸入信號(hào)的大小而自動(dòng)的開啟和關(guān)斷Class-D的工作，這樣可以做到更充分的節(jié)能，當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí)自動(dòng)關(guān)斷不需要工作的電路(見圖6)，當(dāng)需要工作時(shí)自動(dòng)開啟需要工作的電路(見圖7)。

6 結(jié)語(yǔ)
    便攜式設(shè)備的小巧、輕薄設(shè)計(jì)是推動(dòng)小型陶瓷壓電揚(yáng)聲器應(yīng)用需求的主要?jiǎng)恿?。陶瓷壓電揚(yáng)聲器不同于傳統(tǒng)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器，應(yīng)考慮采用新的設(shè)計(jì)方案。陶瓷壓電揚(yáng)聲器的電容特性要求放大器具有高輸出電壓和大輸出電流，從而在工作頻率范圍內(nèi)保持高壓驅(qū)動(dòng)。為了支持小尺寸、低成本方案，要求放大器具有較高的工作效率。D類放大器，成為極具吸引力的方案，綜合考慮成本、元件數(shù)量等指標(biāo)，D類放大器是能夠獲得最佳折衷的解決方案。