觸覺傳感技術具有呈現復雜觸覺體驗的能力，在便攜式應用中越來越受歡迎。功耗過大是當前壓電觸覺驅動器實現的一個問題。雖然壓電致動器代表容性負載，但驅動它需要消耗相當大的功率。該設計解決方案回顧了當前壓電觸覺驅動器實現的缺點，并引入了一種基于升壓轉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便攜式產品的電池壽命。

介紹

在您最后一次徒步旅行中，您可能已經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 - 沒有被咬的風險。在觸覺的幫助下，通過向用戶施加力、振動或運動來利用觸覺的觸覺反饋技術正在突飛猛進地發展，并且很快就能夠呈現上述復雜紋理的感覺。更平凡的是，研究表明，平均而言，虛擬鍵盤用戶在提供觸覺反饋時會更快地完成打字任務。

為了實現這一目標，觸覺技術正在超越振動電機的基本選項，并利用壓電執行器技術的靈活性。

壓電陶瓷促動器

壓電致動器將電信號轉換為精確控制的物理位移。需要幾百赫茲頻率的數百伏信號才能產生有意義的位移（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，振動的強度也不同。與在聽覺過程中一樣，觸覺體驗的強度與振動信號的頻率和幅度成正比。改變振動強度和模式會產生幾乎無限數量的組合、節奏或信息。當壓電陶瓷促動器在低于其電諧振頻率時，壓電陶瓷促動器本質上是電容性的。與競爭技術相比，基于壓電陶瓷的觸覺具有多種優勢， 包括快速響應時間， 薄型， 低功耗， 以及廣泛的可用壓電特性和安裝技術.

圖2.典型的壓電觸覺驅動器波形。

觸覺系統

圖3顯示了多通道觸覺系統的高級框圖。例如，當用戶敲擊按鍵時，電容式觸摸傳感器 IC 會檢測到動作并將信息報告給微處理器，微處理器指示壓電觸覺驅動器將適當的振動模式應用于使用高壓多路復用器選擇的壓電陶瓷元件。因此，用戶會收到敲擊鑰匙的身體感覺。當然，要做到這一點，環路響應必須比操作員檢測時間滯后更快。延遲為 5 毫秒或更短的觸覺事件將被用戶視為同時發生。

圖3.多通道觸覺系統示例。

典型解決方案

圖4顯示了用于便攜式設備的典型壓電觸覺驅動器IC實現方案。升壓轉換器將鋰離子電池電壓升壓至60V，為AB類放大器提供必要的高壓電源。

圖 4.典型的觸覺驅動器解決方案。

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用中存在問題。首先，AB類線性放大器本質上是耗散的（比如效率為60%），而升壓轉換器則通過其自身的有限效率（比如85%）來增加損耗。例如，1μF電容和100V電壓P-P在 200Hz 時，負載加起來為 1W：

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

當系統效率為50%（085 x 0.6）時，來自電池的輸入功率加起來高達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類放大器而不是AB類放大器。這樣，放大器損耗最小，但升壓轉換器損耗仍然存在。此外，D類放大器解決方案需要一個體積龐大且會引入額外損耗的復雜輸出濾波器。

下一步是將放大和升壓功能組合到一個電路中，如圖5所示。請注意，與升壓轉換器時鐘頻率（約500kHz）相比，200Hz的高電壓波形非常慢，導致開關穩壓器的輸出變化緩慢。圖5還顯示了觸覺電壓和電流波形及其幅度、符號和相位關系。在正半波周期內，電感電流為電容器/壓電充電。在負半波期間，電流通過整流MOSFET晶體管T返回輸入電容1，導通時傳導反向電流。結果是一種能量回收方案，除了與開關損耗和有限R相關的損失外，幾乎沒有產生任何損失。DS（ON）的 MOSFET 晶體管。請注意，控制器 IC 是一種經濟高效的低壓器件，只有外部 MOSFET 和無源器件是高壓器件。電容 CHV 在低壓驅動器和高壓 MOSFET 柵極之間實現必要的電平轉換。

圖5.升壓轉換器再生解決方案。

高效壓電觸覺執行器驅動器

例如，MAX77501為壓電觸覺促動器的高效驅動器，優化用于驅動高達2μF的壓電陶瓷元件。它可以產生高達110V的單端觸覺波形P-P幅度來自2.8V至5.5V輸入電源或單節Li+電池。支持觸覺波形的內存回放 （RAM） 和實時流 （FIFO）。25MHz SPI接口提供完整的系統訪問和控制，包括故障報告和監控。這允許從關斷開始的快速600μs回放啟動時間。板載存儲器可以動態分配為多波形存儲或FIFO緩沖器。該 IC 還實現了超低功耗升壓架構，為觸覺致動器驅動器提供最低功耗的解決方案。內置欠壓鎖定 （UVLO）、逐周期過流限制、過壓和熱關斷保護功能可確保在異常工作條件下安全運行。該 IC 采用 30 焊球、0.4mm 間距的晶圓級封裝 （WLP）。

結論

壓電致動器是現代觸覺傳感系統的關鍵元件，有助于為與電池供電、手持和可穿戴設備中的電子顯示器交互的用戶提供觸覺反饋。典型的壓電觸覺驅動器復雜且耗電。本設計方案回顧了一種典型實現方案，其中驅動壓電陶瓷的AB類放大器和產生高壓電源的升壓轉換器消耗了大量功率。隨后，它介紹了一種新穎的再生實現方案，其中升壓轉換器既是高壓源，又是驅動消耗交流電流的容性壓電陶瓷元件的放大器。升壓轉換器電感電流在為正時對壓電電容充電。當為負值時，能量返回到輸入電容器，有效地實現再生機制，最大限度地減少功率損耗，從而最大限度地延長便攜式電池壽命。

審核編輯：郭婷