新型陶瓷压电扬声器驱动的设计

 

　　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。

　　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%。