用简单的升压转换器驱动压电蜂鸣器

1.前言

压电蜂鸣器是一种利用压电效应产生声音的扬声器。其重量轻、结构简单且价格低廉，可用于多种应用，例如家用电器、共享单车和报警设备。典型的压电蜂鸣器是由粘附在金属板上的压电陶瓷制成。该板通常放置在塑料外壳中以改善声音压力。

压电陶瓷是一种人造材料，它利用了雅克和皮埃尔居里在 1880 年发现的压电效应。施加振荡电场会导致陶瓷材料拉伸或收缩。陶瓷材料的变形使金属板向两个方向弯曲并在空气中产生声波，如图1所示。将板组装到塑料外壳中可以提高蜂鸣器的声压。

图 1：压电蜂鸣器的工作原理

当以等于其谐振频率的频率驱动时，压电蜂鸣器具有最高的声压。因此，它通常用于音量和高音要求比音质更重要的应用中。在共享单车应用中，智能锁中使用压电蜂鸣器，即使在嘈杂的街道等条件下，也能清晰地指示锁状态。蜂鸣器作为报警设备或在家用电器中的功能是相同的。

2.驱动方案

在压电蜂鸣器中，如果以谐振频率驱动，声压主要取决于电压幅度。驱动电压越高，声压越高。以村田的PKM13EPYH4002为例，最大驱动电压幅度30V，产生的声压最高。但共享单车智能锁或报警器中的电池通常是单节锂离子电池或串联的碱性电池。电池电压不高于4.2V——远低于电压要求。因此，需要一个升压拓扑电路来转换电压。此外，升压电路应具有较小的关断电流，以延长电池寿命。压电蜂鸣器大部分时间是关闭的，只有在必要时才开启。

TI 的 TLV61046A 的输入电压范围为 1.8V 至 5.5V，涵盖了两节串联碱性电池、一节锂离子电池和一个 3.3V、5V 总线电源系统。最大输出电压为 28V，具有 29V 过压保护 (OVP)。当反馈电阻分压器在制造过程中被错误焊接时，OVP 功能可以保护升压转换器和负载免受损坏。

TLV61046A 的输入峰值电流设置为 980mA，足以驱动压电蜂鸣器。逐周期限流和短路保护功能可在短路情况下保护转换器和电源。

TLV61046A 还集成了一个功率整流二极管和一个隔离式金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。整流二极管消除了传统高压升压转换器中的外部肖特基二极管，并降低了成本和解决方案尺寸。当器件被禁用以降低电流消耗时，隔离式 MOSFET 会断开从电源到负载的电流路径。由于其高度集成，TLV61046A 升压解决方案的实施很简单，如图 2 所示。

图 2：TLV61046A 原理图

正如我上面提到的，需要一个振荡电压来驱动压电蜂鸣器。一个 N 沟道 P 沟道 N 沟道 (NPN) 晶体管可以产生振荡电压，如图 3 所示。TLV61046A 的输出电压设置为最大 28V。LS是压电蜂鸣器。脉宽调制 (PWM) 是来自微控制器输入/输出 (I/O) 引脚的信号。如果需要最高声压，PWM 信号的频率应等于蜂鸣器的谐振频率。R4 限制 I/O 引脚的输出电流。当PWM信号高于0.7V时，Q1导通，LS充电至28V。当PWM信号为零时，Q1关断，R3对LS放电。LS两端的电压在工作过程中为方波，如图4所示。

图 3：28V 压电蜂鸣器驱动器的简化原理图

图 4：28V 压电蜂鸣器驱动器的工作波形

使用 TLV61046A 也可以驱动电压幅度为 ±15V 或更高的压电蜂鸣器；图 5 显示了生成该电压的简化原理图。输出电压设置为 15V。基于二极管的简单电荷泵电路输出 30V。Q1 和 Q2 形成图腾柱电路，以大约 30V 或 0V 驱动 LS 的负极。因此，LS 两端的电压是一个±15V 的矩形波形。

图 6 显示了该电路的工作波形。通过将TLV61046A的输出电压设置为28V，蜂鸣器的驱动电压可以高达±28V，大大提高了声压。

图 5：±15V 压电蜂鸣器驱动器的简化原理图

图 6：±15V 压电蜂鸣器驱动器的工作波形

TLV61046A 高度集成的升压转换器具有宽输入电压和高达 28V 的输出电压。其丰富的特性使其不仅可以轻松用于压电蜂鸣器驱动器，还可以用于无源矩阵有机发光二极管 (PMOLED)、高边 MOSFET 驱动器和液晶显示 (LCD) 面板。