新型陶瓷压电扬声器驱动的设计与应用

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摘要：随着便携式消费电子的发展，人们对便携式电子设备小型轻薄的要求越来越高，陶瓷压电扬声嚣以其超轻，超薄，高效，无需大音腔等特点逐渐被众多便携式消费类电子产品所青昧。本文对比传统动圈型扬声器，分析了新型陶瓷压电扬声器的特点及对所需音频功率放大器的要求，对各种常用升压结构及音频功率放大器进行对比、分析，并测试了多种升压结构及音频功率放大器配合陶瓷压电扬声器的相关数据及使用效果，从音压、效率、总谐波失真等各方面考虑。得出使用Boost升压结构，配合D类音频功率放大器驱动新型陶瓷压电扬声器是能够获得最折衷的解决方案。
关键词：新型陶瓷压电扬声器；专频放大器；Boost；Class-D

1 便携式产品的发展趋势
    便携式产品的发展趋势如图1所示。




    随着便携式消费电子的发展，人们对便携式电子设备小型轻薄的要求越来越高，陶瓷压电扬声器以其超轻，超薄，高效，无需大音腔等特点逐渐被众多便携式消费类电子产品所青睐。便携式消费产品向着超薄轻小的方向发展，怎样做到外形纤薄，并且延长单次充电电池使用时间已成为各类消费产品的主要设计考虑。这样的系统需求对单个电子元器件提出了更薄、更小、更省电的要求。

2 陶瓷压电扬声器的基本特点
    与动圈式扬声器相比，压电扬声器的振膜是被粘接在它上面的压电材料带动产生弯曲的，因此振膜的外形几乎没有限制，而动圈式扬声器的振膜或纸盆通常都是圆形或者椭圆形的，这样常会限制产品的外形设计。所有的动圈式扬声器都必须有一个磁铁以驱动音圈，这样就增加了扬声器的总体高度及重量，但是陶瓷压电扬声器却无需磁铁驱动，这样就可以达到一种很薄的外形从而降低终端产品的高度。
    面对设计小巧的手机和越来越薄的电脑，动圈式扬声器成为制造商能否生产出超薄产品的制约因素。陶瓷压电扬声器能以超薄、紧凑的封装提供极具竞争力的声压电平(SPL)，具有取代传统的动圈式扬声器的巨大潜力。陶瓷压电和动圈式扬声器的主要区别如表1所示。




                          
                       
                          
                               
    驱动陶瓷压电扬声器的放大器电路有与驱动传统动圈式扬声器不同的输出驱动要求。陶瓷压电扬声器的结构要求放大器驱动大电容负载，并在较高的频率下输出更大的电流，同时保持高输出电压。传统动圈式扬声器的效率很容易计算。音频线圈绕组可以近似为固定电阻与一个大电感串联。如果已知扬声器电阻，可用欧姆定律计算负载功率：P=I2R，或P=VI。扬声器的大部分功率被转变成线圈的热量。由于陶瓷压电扬声器具有电容特性，因此消耗功率时产生的热量不高。




    图2为一陶瓷压电扬声器在1 kHz，90 dB(测定距离10 cm)声压下的波形图，电压为8 V、电流为15．6 mA，电压和电流之间的相位差是79．2°，所以功耗就是8×15．6×cos79．2°=23mW。它相当于一个直径20mm的动圈式扬声器在90dB(测定距离10cm)声压下功耗的18％。

3 陶瓷压电扬声器的工作原理
    如图3所示，两片单层压电陶瓷分别粘接在同一片薄金属薄的两面上，他们组合起来被称作振膜。当上压电片伸展、下压电片收缩时，振膜就向上弯曲，当上压电片收缩、下压电片伸长时，振膜就会向下弯曲。所以，当给振膜加上一个交变电压，它就会随着电压的交替变化
而上下振动。位移量与输入信号的幅度成正比。压电薄膜的振动使周围空气流动，从而发出声音。扬声器电压升高时，压电元件变形加剧，形成更大的声压，从而增加了音量。




                          
                       
                          
                               

4 驱动陶瓷压电扬声器对放大器的要求
    陶瓷压电扬声器的驱动的技术要求必须能产生高压摆幅，并稳定驱动容性负载，封装小巧。由于便携式单一电源供电大多是USB(5 V)或者锂电池(4．2 V)供电，若要产生高压摆幅，需要采用一些升压技术，目前市面上成熟的技术有电荷泵和升压型两种，它们的优缺点比较如表2所示。







    目前市面上主流的音频放大器结构有Class-AB，Class-G，Class-D，Class-H可供选择，各种优缺点比较如表3所示。
    采用升压+Class D配合陶瓷压电喇叭比较其他解决方案可以节约50％左右的功耗。平均消耗功率和功放类别如图4所示。





                          
                       
                          
                               
5 PAM8902的应用电路及主要功能介绍
    PAM8902采用升压+Class-D的拓扑结构，典型应用电路如图5所示。PAM8902采用WLCSP2×2 mm和QFN4×4的微小尺寸封装。PAM8902工作电压范围为2．5～5．5 V，适用于单电源工作的便携式产品。升压部分，通过VOSETpin选择置低，浮空，置高，可以选择DC-DC输出电压，分别为8 V／12 V／17．5 V，这样可以对不同规格的扬声器根据声压要求进行选择。音频驱动部分，PAM8902采用特有的单边调制技术，可以有效抑制Class-D本身的EMI缺陷。增益大小调制，通过GSET、pin选择置低，浮空，置高，Class-D的增益可以选择为18 dB／22 dB／26 dB，根据声压需求可以很方便的选择。




    输出部分串联电感和电阻的作用主要是为了防止陶瓷喇叭出现高频短路。Auto-standby功能，PAM8902通过检测INP输入信号的大小而自动的开启和关断Class-D的工作，这样可以做到更充分的节能，当没有信号输入时自动关断不需要工作的电路(见图6)，当需要工作时自动开启需要工作的电路(见图7)。

6 结语
    便携式设备的小巧、轻薄设计是推动小型陶瓷压电扬声器应用需求的主要动力。陶瓷压电扬声器不同于传统动圈式扬声器，应考虑采用新的设计方案。陶瓷压电扬声器的电容特性要求放大器具有高输出电压和大输出电流，从而在工作频率范围内保持高压驱动。为了支持小尺寸、低成本方案，要求放大器具有较高的工作效率。D类放大器，成为极具吸引力的方案，综合考虑成本、元件数量等指标，D类放大器是能够获得最佳折衷的解决方案。