新型陶瓷壓電揚聲器驅動(dòng)的設計

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

　　2 陶瓷壓電揚聲器的基本特點(diǎn)

　　與動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生彎曲的，因此振膜的外形幾乎沒(méi)有限制，而動(dòng)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(huì )限制產(chǎn)品的外形設計。所有的動(dòng)圈式揚聲器都必須有一個(gè)磁鐵以驅動(dòng)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(wú)需磁鐵驅動(dòng)，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。

　　面對設計小巧的手機和越來(lái)越薄的電腦，動(dòng)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)，具有取代傳統的動(dòng)圈式揚聲器的巨大潛力。陶瓷壓電和動(dòng)圈式揚聲器的主要區別如表1所示。

　　驅動(dòng)陶瓷壓電揚聲器的放大器電路有與驅動(dòng)傳統動(dòng)圈式揚聲器不同的輸出驅動(dòng)要求。陶瓷壓電揚聲器的結構要求放大器驅動(dòng)大電容負載，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。傳統動(dòng)圈式揚聲器的效率很容易計算。音頻線(xiàn)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變成線(xiàn)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(shí)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(gè)直徑20mm的動(dòng)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(lái)被稱(chēng)作振膜。當上壓電片伸展、下壓電片收縮時(shí)，振膜就向上彎曲，當上壓電片收縮、下壓電片伸長(cháng)時(shí)，振膜就會(huì )向下彎曲。所以，當給振膜加上一個(gè)交變電壓，它就會(huì )隨著(zhù)電壓的交替變化

　　而上下振動(dòng)。位移量與輸入信號的幅度成正比。壓電薄膜的振動(dòng)使周?chē)諝饬鲃?dòng)，從而發(fā)出聲音。揚聲器電壓升高時(shí)，壓電元件變形加劇，形成更大的聲壓，從而增加了音量。

　　4 驅動(dòng)陶瓷壓電揚聲器對放大器的要求

　　陶瓷壓電揚聲器的驅動(dòng)的技術(shù)要求必須能產(chǎn)生高壓擺幅，并穩定驅動(dòng)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(diǎn)比較如表2所示。

　　目前市面上主流的音頻放大器結構有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約50%左右的功耗。平均消耗功率和功放類(lèi)別如圖4所示。

PAM8902的應用電路及主要功能介紹#e#5 PAM8902的應用電路及主要功能介紹

　　PAM8902采用升壓+Class-D的拓撲結構，典型應用電路如圖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，這樣可以對不同規格的揚聲器根據聲壓要求進(jìn)行選擇。音頻驅動(dòng)部分，PAM8902采用特有的單邊調制技術(shù)，可以有效抑制Class-D本身的EMI缺陷。增益大小調制，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高頻短路。Auto-standby功能，PAM8902通過(guò)檢測INP輸入信號的大小而自動(dòng)的開(kāi)啟和關(guān)斷Class-D的工作，這樣可以做到更充分的節能，當沒(méi)有信號輸入時(shí)自動(dòng)關(guān)斷不需要工作的電路(見(jiàn)圖6)，當需要工作時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟需要工作的電路(見(jiàn)圖7)。

　　6 結語(yǔ)

　　便攜式設備的小巧、輕薄設計是推動(dòng)小型陶瓷壓電揚聲器應用需求的主要動(dòng)力。陶瓷壓電揚聲器不同于傳統動(dòng)圈式揚聲器，應考慮采用新的設計方案。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保持高壓驅動(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(lèi)放大器，成為極具吸引力的方案，綜合考慮成本、元件數量等指標，D類(lèi)放大器是能夠獲得最佳折衷的解決方案。