觸覺(jué)傳感技術(shù)具有呈現(xiàn)復(fù)雜觸覺(jué)體驗(yàn)的能力，在便攜式應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。功耗過(guò)大是當(dāng)前壓電觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題。雖然壓電致動(dòng)器代表容性負(fù)載，但驅(qū)動(dòng)它需要消耗相當(dāng)大的功率。該設(shè)計(jì)解決方案回顧了當(dāng)前壓電觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，并引入了一種基于升壓轉(zhuǎn)換器的新型再生方案，可最大限度地降低功耗，有助于最大限度地延長(zhǎng)便攜式產(chǎn)品的電池壽命。

介紹

在您最后一次徒步旅行中，您可能已經(jīng)拍了一張美麗而野生的生物，蛇的照片！您是否想將手指移到它的鱗片上以感受其光滑的形狀？不久之后，您也許可以做到這一點(diǎn) - 沒(méi)有被咬的風(fēng)險(xiǎn)。在觸覺(jué)的幫助下，通過(guò)向用戶施加力、振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)來(lái)利用觸覺(jué)的觸覺(jué)反饋技術(shù)正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展，并且很快就能夠呈現(xiàn)上述復(fù)雜紋理的感覺(jué)。更平凡的是，研究表明，平均而言，虛擬鍵盤(pán)用戶在提供觸覺(jué)反饋時(shí)會(huì)更快地完成打字任務(wù)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，觸覺(jué)技術(shù)正在超越振動(dòng)電機(jī)的基本選項(xiàng)，并利用壓電執(zhí)行器技術(shù)的靈活性。

壓電陶瓷促動(dòng)器

壓電致動(dòng)器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為精確控制的物理位移。需要幾百赫茲頻率的數(shù)百伏信號(hào)才能產(chǎn)生有意義的位移（圖 2）。正如人耳感知某些頻率的聲音比其他聲音更響亮一樣，振動(dòng)的強(qiáng)度也不同。與在聽(tīng)覺(jué)過(guò)程中一樣，觸覺(jué)體驗(yàn)的強(qiáng)度與振動(dòng)信號(hào)的頻率和幅度成正比。改變振動(dòng)強(qiáng)度和模式會(huì)產(chǎn)生幾乎無(wú)限數(shù)量的組合、節(jié)奏或信息。當(dāng)壓電陶瓷促動(dòng)器在低于其電諧振頻率時(shí)，壓電陶瓷促動(dòng)器本質(zhì)上是電容性的。與競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)相比，基于壓電陶瓷的觸覺(jué)具有多種優(yōu)勢(shì)， 包括快速響應(yīng)時(shí)間， 薄型， 低功耗， 以及廣泛的可用壓電特性和安裝技術(shù).

圖2.典型的壓電觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器波形。

觸覺(jué)系統(tǒng)

圖3顯示了多通道觸覺(jué)系統(tǒng)的高級(jí)框圖。例如，當(dāng)用戶敲擊按鍵時(shí)，電容式觸摸傳感器 IC 會(huì)檢測(cè)到動(dòng)作并將信息報(bào)告給微處理器，微處理器指示壓電觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器將適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)模式應(yīng)用于使用高壓多路復(fù)用器選擇的壓電陶瓷元件。因此，用戶會(huì)收到敲擊鑰匙的身體感覺(jué)。當(dāng)然，要做到這一點(diǎn)，環(huán)路響應(yīng)必須比操作員檢測(cè)時(shí)間滯后更快。延遲為 5 毫秒或更短的觸覺(jué)事件將被用戶視為同時(shí)發(fā)生。

圖3.多通道觸覺(jué)系統(tǒng)示例。

典型解決方案

圖4顯示了用于便攜式設(shè)備的典型壓電觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器IC實(shí)現(xiàn)方案。升壓轉(zhuǎn)換器將鋰離子電池電壓升壓至60V，為AB類(lèi)放大器提供必要的高壓電源。

圖 4.典型的觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器解決方案。

該解決方案需要很大的輸入功率，而輸入功率在IC中耗散。高功率耗散在便攜式應(yīng)用中存在問(wèn)題。首先，AB類(lèi)線性放大器本質(zhì)上是耗散的（比如效率為60%），而升壓轉(zhuǎn)換器則通過(guò)其自身的有限效率（比如85%）來(lái)增加損耗。例如，1μF電容和100V電壓P-P在 200Hz 時(shí)，負(fù)載加起來(lái)為 1W：

P = 1/2 CV2f = 0.5 x 10-6x 1002x 200 = 1W

當(dāng)系統(tǒng)效率為50%（085 x 0.6）時(shí)，來(lái)自電池的輸入功率加起來(lái)高達(dá)2W，功耗在IC上。

理想的解決方案

理想的解決方案是回收電容器能量而不是耗散能量。一種解決方案是使用D類(lèi)放大器而不是AB類(lèi)放大器。這樣，放大器損耗最小，但升壓轉(zhuǎn)換器損耗仍然存在。此外，D類(lèi)放大器解決方案需要一個(gè)體積龐大且會(huì)引入額外損耗的復(fù)雜輸出濾波器。

下一步是將放大和升壓功能組合到一個(gè)電路中，如圖5所示。請(qǐng)注意，與升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘頻率（約500kHz）相比，200Hz的高電壓波形非常慢，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出變化緩慢。圖5還顯示了觸覺(jué)電壓和電流波形及其幅度、符號(hào)和相位關(guān)系。在正半波周期內(nèi)，電感電流為電容器/壓電充電。在負(fù)半波期間，電流通過(guò)整流MOSFET晶體管T返回輸入電容1，導(dǎo)通時(shí)傳導(dǎo)反向電流。結(jié)果是一種能量回收方案，除了與開(kāi)關(guān)損耗和有限R相關(guān)的損失外，幾乎沒(méi)有產(chǎn)生任何損失。DS（ON）的 MOSFET 晶體管。請(qǐng)注意，控制器 IC 是一種經(jīng)濟(jì)高效的低壓器件，只有外部 MOSFET 和無(wú)源器件是高壓器件。電容 CHV 在低壓驅(qū)動(dòng)器和高壓 MOSFET 柵極之間實(shí)現(xiàn)必要的電平轉(zhuǎn)換。

圖5.升壓轉(zhuǎn)換器再生解決方案。

高效壓電觸覺(jué)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器

例如，MAX77501為壓電觸覺(jué)促動(dòng)器的高效驅(qū)動(dòng)器，優(yōu)化用于驅(qū)動(dòng)高達(dá)2μF的壓電陶瓷元件。它可以產(chǎn)生高達(dá)110V的單端觸覺(jué)波形P-P幅度來(lái)自2.8V至5.5V輸入電源或單節(jié)Li+電池。支持觸覺(jué)波形的內(nèi)存回放 （RAM） 和實(shí)時(shí)流 （FIFO）。25MHz SPI接口提供完整的系統(tǒng)訪問(wèn)和控制，包括故障報(bào)告和監(jiān)控。這允許從關(guān)斷開(kāi)始的快速600μs回放啟動(dòng)時(shí)間。板載存儲(chǔ)器可以動(dòng)態(tài)分配為多波形存儲(chǔ)或FIFO緩沖器。該 IC 還實(shí)現(xiàn)了超低功耗升壓架構(gòu)，為觸覺(jué)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器提供最低功耗的解決方案。內(nèi)置欠壓鎖定 （UVLO）、逐周期過(guò)流限制、過(guò)壓和熱關(guān)斷保護(hù)功能可確保在異常工作條件下安全運(yùn)行。該 IC 采用 30 焊球、0.4mm 間距的晶圓級(jí)封裝 （WLP）。

結(jié)論

壓電致動(dòng)器是現(xiàn)代觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，有助于為與電池供電、手持和可穿戴設(shè)備中的電子顯示器交互的用戶提供觸覺(jué)反饋。典型的壓電觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器復(fù)雜且耗電。本設(shè)計(jì)方案回顧了一種典型實(shí)現(xiàn)方案，其中驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的AB類(lèi)放大器和產(chǎn)生高壓電源的升壓轉(zhuǎn)換器消耗了大量功率。隨后，它介紹了一種新穎的再生實(shí)現(xiàn)方案，其中升壓轉(zhuǎn)換器既是高壓源，又是驅(qū)動(dòng)消耗交流電流的容性壓電陶瓷元件的放大器。升壓轉(zhuǎn)換器電感電流在為正時(shí)對(duì)壓電電容充電。當(dāng)為負(fù)值時(shí)，能量返回到輸入電容器，有效地實(shí)現(xiàn)再生機(jī)制，最大限度地減少功率損耗，從而最大限度地延長(zhǎng)便攜式電池壽命。

審核編輯：郭婷