作者：Diodes公司音頻市場經理Leo Zhang

簡介
壓電發聲器在許多產品應用中，用來產生警告或警示音，通常用于便攜式、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，在不同的脈寬調制（PWM）頻率下，就會產生不同的聲音，所以可以根據應用輕松修改。

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；以及相較于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范圍內，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。

聲壓水平（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。對于蜂鳴器或警示應用，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。在這個例子里，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（小于1μA），這種壓電發聲器驅動器和電荷泵的組合，適用于各種產品應用，例如安全警報、GPS定位器、藍牙追蹤器和便攜式醫療設備。

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集成同步升壓轉換器。

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，對于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，以降低功耗并延長電池壽命。

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，這有助于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，驅動器采用了緊湊的10引腳U-QFN2020（2mmx2mm）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，對于便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，而且關機電流小于1μA。有PWM輸入信號時，這些功能可自動運作，以簡化系統設計。

一種典型應用
我們看看這種壓電發聲器的典型應用范例：便攜式藍牙追蹤器。當追蹤器距離持有者的智能手機太遠，會發出響亮的警示聲——希望您再也不會遺失鑰匙/寵物。

對于追蹤器而言，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周期增加而下降，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輸入電壓范圍內，會使用CR2032或鋰離子電池。這種廣泛的輸入電壓范圍，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松辦到。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，如果持有者的智能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，這種方式相較于電荷泵解決方案，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，可以彈性從中輕松選擇，因此可以針對不同的產品應用或條件改變音量。

審核編輯 黃宇