基于压电马达的触觉响应解决方案

   随着触摸屏在手持式消费类设备中逐步替代机械按键，由于缺乏触觉响应，消费者开始提出对实时响应的需求。用户已经习惯了按键按下时表示成功操作按键输入的机械触感，如图1所示键盘。近来，由于缺乏好的触觉反馈设计，从而带动了电子触觉响应系统的需求。

图1. 基于软件的按下激活按键

　　使用压电驱动实现触觉反馈是一种比较有前途的方法，这种方式已经在少数消费类设备中应用了很多年。压电式触觉反馈具有很多优点，包括：快速响应、超薄外观、低功耗以及大量可以利用的压电材料和组装工艺。

　　压电特性和比较

　　压电材料有各种不同的形状、尺寸、厚度、电压范围、作用力和额定电容，可以加工成特定形状，以满足特殊应用及封装的需求，并可以提供单层和多层结构。多个压电体可以实现较强的触觉反馈和多种不同的触感。

　　工作在谐振点及其附近的压电驱动应用包括：

　　●振动激励和消除

　　●微型泵

　　●微型雕刻系统

　　●超声钻孔/焊接/雕刻/解剖/计量

　　工作在谐振点以下的应用包括：

　　●触觉响应

　　●图像稳定

　　●自动对焦系统

　　●纤维光学校准

　　●结构变形

　　●磨损补偿

　　压电工作原理

　　低于谐振频率时，压电体可以简单地用一个电容模拟。当直流电压加在压电体两端，构造和物理形状不同的压电体会产生不同的形变（图2）。

图2. 简化压电体模型

　　库仑定律指出Q＝CV，但在压电体中电容不是常数，这是因为电容极板间距会随着电压变化而变化。

　　当对压电体施加电压时，由于极板间距离发生变化（图3A），电容量也会随之改变。压电体位移正比于电场强度，而电场强度是极板间电压和距离的函数。外加电压和压电驱动器产生的作用力保持着合理的正比关系（图3C）。

　　在大多数压电驱动器移动范围内，压电体等效电容的电荷与位移量都保持近似正比关系。如果等效电容极板间没有漏电流，即使极板与电压源断开，仍能够保持位移量。

图3. 位移量和作用力与外加电压

　　作用力正比于压电体外加电压（图3）。作用力（相对于时间）是影响触觉响应的主要因素，它决定了用户的感觉，使用多层压电体可以改进位移量。

　　压电模型

　　压电体中运转的电机系统可以用主介质电容CP并联由LRC组成的串联网络来模拟（图4）。达到谐振频率之前，阻抗会像电容一样随频率上升而下降。所以，当压电体工作在远低于谐振频率时，可以仅用一个电容CP来模拟。

图4.压电体阻抗与频率

　　压电体可以工作在谐振频率，以满足自激振荡在固定频率的需求，例如超声振荡器。然而，用于触觉反馈的压电驱动器通常工作在远远低于谐振频率的位置。

　　对于音频应用，效率是最关心的问题，触觉反馈则与之不同，触觉反馈的关键问题不是效率，而是人的触感。超过几百兆赫兹的振动不但不能提供很好的触觉反馈，反而消耗不必要的功率。周期超过几毫秒的振动可以产生较强触感，但也会产生不希望听到的喀哒声。

　　图5展示了一个典型的触感波形图，波形模拟了对一个机械按键按压和释放的感觉。波形的上升沿，P0到P1，反映了按压的触觉响应；下降沿，P2到P3，反映了释放的触觉响应。从P1到P2的时间是用户按住机械按键的持续时间，由用户决定。

图5.一个典型触觉反馈的波形示例

　　当构建一个基于压电体的触觉反馈系统时，首先需要决定的是使用单层还是多层压电驱动器（图6）。表1总结了两种压电类型的对比。

表1.单层和多层压电驱动器的优势对比

图6. 左图为100VP-P单层压电片 （SLD） ；右上图为 120VP-P多层压电条（MLS）； 右下图为 30VP-P多层压电条（MLS）

　　方案选择

　　单层还是多层结构？

　　表1提供的信息建议使用单层压电驱动器。单层片供货量大而且已经量产，投入生产的多层压电体则相对较少。另外，单层压电体成本低很多，这在使用多个压电体的方案中十分重要。例如，市场上的很多手机在屏幕后面都安装了多个单层压电片，这种情况下使用多层压电体成本就要高很多。

　　分立方案还是单芯片方案？

　　基于压电体的触觉反馈方案的缺点之一是复杂度比较高，典型的压电体解决方案采用分立元件实现整个触觉反馈系统，额外的分立元件包括一个微控制器、反激boost或集成电荷泵、反激变压器或电感，以及各种电阻、电容、二极管和晶体管。而基于直流马达的触觉反馈方案需要很少甚至不需要外部元件。

　　单芯片触觉反馈方案，如 MAX11835相比于传统分立设计有很多优势：较小的印制电路板尺寸、较低功耗、精简的材料清单（BOM）以及简单的软件支持。考虑到压电体尺寸也很小， MAX11835对于手持设备是极具吸引力的解决方案。

　　图7 展示了单芯片高压触觉反馈驱动控制器的框图：

图7. 使用压电驱动器的触觉反馈方案框图

　　MAX11835 单芯片优化方案具有以下功能：

　　●支持单层和多层压电驱动器

　　●用户可定义的片上波形存储功能（通过串口）

　　●片上波形发生器

　　●内嵌DC-DC升压控制器

　　●工作电压范围可满足典型的手机电池需求

　　●小封装尺寸

　　●低功耗

　　电源管理的重要性

　　压电体相对于直流马达驱动器来说功耗极低，尽管如此，仍有一些其它功耗因素需要考虑：

　　●每次触碰从主电源消耗的功率

　　●每次触碰的波形类型

　　●每秒触碰次数

　　●高压升压电路消耗的功率

　　MAX11835触觉驱动控制器对各种压电驱动器和高压电容的功耗进行了测量。MAX11835可以回放boost转换器反馈环路中软件控制的存储波形，测试波形包括100Hz正弦波和20Hz斜坡。

　　图8、9A和9B 显示了 MAX11835 驱动 175V 100Hz 正弦波时的输出，同时也画出了变压器主线圈电流。

图8.输出电压波形和 MAX11835 boost电源的电流波形

图9A. 100Hz连续正弦波下，功耗随负载的变化曲线

图9B. 峰值boost电源电流随负载变化的曲线图，

　　测试条件：频率 = 100Hz的正弦波；boost电源电压 = 4.2V；boost电源去耦电容 = 10uF；使用6:1变压器。

　　按下按键是最普通的操作，图10所示波形需要40ms充电，10ms放电。缓慢充电在触碰屏幕的过程中不容易被察觉，而快速放电的感觉则如同释放一个机械按键。

图10. 按压按键的模拟波形

　　图11. 功耗与压电电压曲线图，用单层和多层压电体模拟按键的按压。当电压超过180V，MAX11835的原边钳位开启，功耗会急剧上升。

　　图11所示波形连续工作。功耗随着占空比的降低而线性下降。在机械负载（半阻塞作用力）和空载压电驱动器的压电体数据间没有显着的区别。

　　图12显示了MAX11835升压过程的效率，用负载消耗能量除以升压电源消耗能量（VBST）进行测量。

图12. 能量转换效率：负载消耗能量与VBST消耗能量。电压超过180V时，MAX11835的原边钳位开启，效率快速上升。

　　图12中，效率随着负载电容的增大而上升，因为只有boost电路消耗静态功率。

　　MAX11835 功耗与马达驱动器功耗对比

　　MAX11835的功耗相对于马达驱动器来说非常低，马达驱动器包括偏振旋转（ERM）型、线性振荡驱动器（LRA）型和音圈型。

　　基于马达的驱动器通常需要低电压（1.8V至3V），电流却相当大。此外，马达的通、断特性，尤其是ERM型，不具备理想的模拟触感所需的反馈信号。

　　表2和图13给出了驱动器的大量测量结果，测试了两种工作模式，连续工作和脉冲工作。实际情况通常不是连续工作方式，因为很多触碰操作非常短暂，即使仿真纹理表面的仿真。

表 2. 马达驱动器的功耗

　图13. 表2对比的驱动器，相关数据如表2所示

　　图14显示了连续工作的功耗。图中压电体由幅度为180V、频率为100Hz的连续正弦波驱动。其它驱动器由3VDC或2VRMS （LRA 和音圈）驱动。

图14. 各种驱动器的连续工作下的功耗

　　图15显示了脉冲工作方式下的功耗，图中驱动器由50ms脉冲驱动，以此仿真按键按压操作。压电驱动器驱动幅度为180V ，其它驱动器驱动电压为3VDC或 2VRMS （LRA 和音圈）。

图15. 各种驱动器在脉冲工作方式下的功耗

　　结论

　　从以上讨论中可以得出很多结论。显然，基于多种考量，单层（非多层）压电驱动器是当前更具吸引力的设计方案：

　　成本最低

　　供货渠道众多

　　大规模量产

　　提供定制设计

　　可安装在LCD背面或侧面

　　数据显示，应该对触觉反馈电路消耗电源功率进行详细计算，波形幅度、类型和持续时间都会影响功耗的大小和触觉响应。

　　每秒钟触碰的次数也会影响功耗，需要考虑滚动或滑动操作，还是轻按或缓慢键入等，这些因素都会影响功耗。最后，把测量结果归一化为每秒钟进行的一次触碰操作，以便比较。