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1.前言

壓電蜂鳴器是一種利用壓電效應產生聲音的揚聲器。其重量輕、結構簡單且價格低廉，可用于多種應用，例如家用電器、共享單車和報警設備。典型的壓電蜂鳴器是由粘附在金屬板上的壓電陶瓷制成。該板通常放置在塑料外殼中以改善聲音壓力。

壓電陶瓷是一種人造材料，它利用了雅克和皮埃爾居里在 1880 年發現的壓電效應。施加振蕩電場會導致陶瓷材料拉伸或收縮。陶瓷材料的變形使金屬板向兩個方向彎曲并在空氣中產生聲波，如圖1所示。將板組裝到塑料外殼中可以提高蜂鳴器的聲壓。

圖 1：壓電蜂鳴器的工作原理

當以等于其諧振頻率的頻率驅動時，壓電蜂鳴器具有最高的聲壓。因此，它通常用于音量和高音要求比音質更重要的應用中。在共享單車應用中，智能鎖中使用壓電蜂鳴器，即使在嘈雜的街道等條件下，也能清晰地指示鎖狀態。蜂鳴器作為報警設備或在家用電器中的功能是相同的。

2.驅動方案

在壓電蜂鳴器中，如果以諧振頻率驅動，聲壓主要取決于電壓幅度。驅動電壓越高，聲壓越高。以村田的PKM13EPYH4002為例，最大驅動電壓幅度30V，產生的聲壓最高。但共享單車智能鎖或報警器中的電池通常是單節鋰離子電池或串聯的堿性電池。電池電壓不高于4.2V——遠低于電壓要求。因此，需要一個升壓拓撲電路來轉換電壓。此外，升壓電路應具有較小的關斷電流，以延長電池壽命。壓電蜂鳴器大部分時間是關閉的，只有在必要時才開啟。

TI 的 TLV61046A 的輸入電壓范圍為 1.8V 至 5.5V，涵蓋了兩節串聯堿性電池、一節鋰離子電池和一個 3.3V、5V 總線電源系統。最大輸出電壓為 28V，具有 29V 過壓保護 (OVP)。當反饋電阻分壓器在制造過程中被錯誤焊接時，OVP 功能可以保護升壓轉換器和負載免受損壞。

TLV61046A 的輸入峰值電流設置為 980mA，足以驅動壓電蜂鳴器。逐周期限流和短路保護功能可在短路情況下保護轉換器和電源。

TLV61046A 還集成了一個功率整流二極管和一個隔離式金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)。整流二極管消除了傳統高壓升壓轉換器中的外部肖特基二極管，并降低了成本和解決方案尺寸。當器件被禁用以降低電流消耗時，隔離式 MOSFET 會斷開從電源到負載的電流路徑。由于其高度集成，TLV61046A 升壓解決方案的實施很簡單，如圖 2 所示。

圖 2：TLV61046A 原理圖

正如我上面提到的，需要一個振蕩電壓來驅動壓電蜂鳴器。一個 N 溝道 P 溝道 N 溝道 (NPN) 晶體管可以產生振蕩電壓，如圖 3 所示。TLV61046A 的輸出電壓設置為最大 28V。LS是壓電蜂鳴器。脈寬調制 (PWM) 是來自微控制器輸入/輸出 (I/O) 引腳的信號。如果需要最高聲壓，PWM 信號的頻率應等于蜂鳴器的諧振頻率。R4 限制 I/O 引腳的輸出電流。當PWM信號高于0.7V時，Q1導通，LS充電至28V。當PWM信號為零時，Q1關斷，R3對LS放電。LS兩端的電壓在工作過程中為方波，如圖4所示。

圖 3：28V 壓電蜂鳴器驅動器的簡化原理圖

圖 4：28V 壓電蜂鳴器驅動器的工作波形

使用 TLV61046A 也可以驅動電壓幅度為 ±15V 或更高的壓電蜂鳴器；圖 5 顯示了生成該電壓的簡化原理圖。輸出電壓設置為 15V。基于二極管的簡單電荷泵電路輸出 30V。Q1 和 Q2 形成圖騰柱電路，以大約 30V 或 0V 驅動 LS 的負極。因此，LS 兩端的電壓是一個±15V 的矩形波形。

圖 6 顯示了該電路的工作波形。通過將TLV61046A的輸出電壓設置為28V，蜂鳴器的驅動電壓可以高達±28V，大大提高了聲壓。

圖 5：±15V 壓電蜂鳴器驅動器的簡化原理圖

圖 6：±15V 壓電蜂鳴器驅動器的工作波形

TLV61046A 高度集成的升壓轉換器具有寬輸入電壓和高達 28V 的輸出電壓。其豐富的特性使其不僅可以輕松用于壓電蜂鳴器驅動器，還可以用于無源矩陣有機發光二極管 (PMOLED)、高邊 MOSFET 驅動器和液晶顯示 (LCD) 面板。