新型陶瓷壓電揚聲器驅(qū)動的設(shè)計

　　1 便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢

　　便攜式產(chǎn)品的發(fā)展趨勢如圖1所示。

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

　　2 陶瓷壓電揚聲器的基本特點

　　與動圈式揚聲器相比，壓電揚聲器的振膜是被粘接在它上面的壓電材料帶動產(chǎn)生彎曲的，因此振膜的外形幾乎沒有限制，而動圈式揚聲器的振膜或紙盆通常都是圓形或者橢圓形的，這樣常會限制產(chǎn)品的外形設(shè)計。所有的動圈式揚聲器都必須有一個磁鐵以驅(qū)動音圈，這樣就增加了揚聲器的總體高度及重量，但是陶瓷壓電揚聲器卻無需磁鐵驅(qū)動，這樣就可以達到一種很薄的外形從而降低終端產(chǎn)品的高度。

　　面對設(shè)計小巧的手機和越來越薄的電腦，動圈式揚聲器成為制造商能否生產(chǎn)出超薄產(chǎn)品的制約因素。陶瓷壓電揚聲器能以超薄、緊湊的封裝提供極具競爭力的聲壓電平(SPL)，具有取代傳統(tǒng)的動圈式揚聲器的巨大潛力。陶瓷壓電和動圈式揚聲器的主要區(qū)別如表1所示。

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

　　圖2為一陶瓷壓電揚聲器在1 kHz，90 dB(測定距離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。它相當于一個直徑20mm的動圈式揚聲器在90dB(測定距離10cm)聲壓下功耗的18%。

3 陶瓷壓電揚聲器的工作原理

　　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，他們組合起來被稱作振膜。當上壓電片伸展、下壓電片收縮時，振膜就向上彎曲，當上壓電片收縮、下壓電片伸長時，振膜就會向下彎曲。所以，當給振膜加上一個交變電壓，它就會隨著電壓的交替變化

　　而上下振動。位移量與輸入信號的幅度成正比。壓電薄膜的振動使周圍空氣流動，從而發(fā)出聲音。揚聲器電壓升高時，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)動陶瓷壓電揚聲器對放大器的要求

　　陶瓷壓電揚聲器的驅(qū)動的技術(shù)要求必須能產(chǎn)生高壓擺幅，并穩(wěn)定驅(qū)動容性負載，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。

PAM8902的應(yīng)用電路及主要功能介紹#e#5 PAM8902的應(yīng)用電路及主要功能介紹

　　PAM8902采用升壓+Class-D的拓撲結(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，這樣可以對不同規(guī)格的揚聲器根據(jù)聲壓要求進行選擇。音頻驅(qū)動部分，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通過檢測INP輸入信號的大小而自動的開啟和關(guān)斷Class-D的工作，這樣可以做到更充分的節(jié)能，當沒有信號輸入時自動關(guān)斷不需要工作的電路(見圖6)，當需要工作時自動開啟需要工作的電路(見圖7)。

　　6 結(jié)語

　　便攜式設(shè)備的小巧、輕薄設(shè)計是推動小型陶瓷壓電揚聲器應(yīng)用需求的主要動力。陶瓷壓電揚聲器不同于傳統(tǒng)動圈式揚聲器，應(yīng)考慮采用新的設(shè)計方案。陶瓷壓電揚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。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，D類放大器是能夠獲得最佳折衷的解決方案。