压电马达的触觉响应解决方案

1、【Word版本下载可任意编辑】 压电马达的触觉响应解决方案 随着触摸屏在手持式消费类设备中逐步替代机械按键，由于缺乏触觉响应，消费者开始提出对实时响应的需求。用户已经习惯了按键按下时表示成功操作按键输入的机械触感，如图1所示键盘。近来，由于缺乏好的触觉反应设计，从而带动了电子触觉响应系统的需求。 图1. 基于软件的按下激活按键 使用压电驱动实现触觉反应是一种比较有前途的方法，这种方式已经在少数消费类设备中应用了很多年。压电式触觉反应具有很多优点，包括：快速响应、超薄外观、低功耗以及大量可以利用的压电材料和组装工艺。 压电特性和比较 压电材料有各种不同的形状、尺寸、厚度、电压范围、作用力和额定电

2、容，可以加工成特定形状，以满足特殊应用及封装的需求，并可以提供单层和多层构造。多个压电体可以实现较强的触觉反应和多种不同的触感。 工作在谐振点及其附近的压电驱动应用包括： 振动激励和消除 微型泵 微型雕刻系统 超声钻孔/焊接/雕刻/解剖/计量 工作在谐振点以下的应用包括： 触觉响应 图像稳定 自动对焦系统 纤维光学校准 构造变形 磨损补偿 压电工作原理 低于谐振频率时，压电体可以简单地用一个电容模拟。当直流电压加在压电体两端，构造和物理形状不同的压电体会产生不同的形变（图2）。 图2. 简化压电体模型 库仑定律指出QCV，但在压电体中电容不是常数，这是因为电容极板间距会随着电压变化而变化。 当

3、对压电体施加电压时，由于极板间距离发生变化（图3A），电容量也会随之改变。压电体位移正比于电场强度，而电场强度是极板间电压和距离的函数。外加电压和压电驱动器产生的作用力保持着合理的正比关系（图3C）。 在大多数压电驱动器移动范围内，压电体等效电容的电荷与位移量都保持近似正比关系。如果等效电容极板间没有漏电流，即使极板与电压源断开，仍能够保持位移量。 图3. 位移量和作用力与外加电压 作用力正比于压电体外加电压（图3）。作用力（相对于时间）是影响触觉响应的主要因素，它决定了用户的感觉，使用多层压电体可以改良位移量。 压电模型 压电体中运转的电机系统可以用主介质电容CP并联由LRC组成的串联网络来

4、模拟（图4）。到达谐振频率之前，阻抗会像电容一样随频率上升而下降。所以，当压电体工作在远低于谐振频率时，可以仅用一个电容CP来模拟。 图4.压电体阻抗与频率 压电体可以工作在谐振频率，以满足自激振荡在固定频率的需求，例如超声振荡器。然而，用于触觉反应的压电驱动器通常工作在远远低于谐振频率的位置。 对于音频应用，效率是关心的问题，触觉反应则与之不同，触觉反应的关键问题不是效率，而是人的触感。超过几百兆赫兹的振动不但不能提供很好的触觉反应，反而消耗不必要的功率。周期超过几毫秒的振动可以产生较强触感，但也会产生不希望听到的喀哒声。 图5展示了一个典型的触感波形图，波形模拟了对一个机械按键按压和释放的

5、感觉。波形的上升沿，P0到P1，反映了按压的触觉响应；下降沿，P2到P3，反映了释放的触觉响应。从P1到P2的时间是用户按住机械按键的持续时间，由用户决定。 图5.一个典型触觉反应的波形例如 当构建一个基于压电体的触觉反应系统时，首先需要决定的是使用单层还是多层压电驱动器（图6）。表1总结了两种压电类型的比照。 表1.单层和多层压电驱动器的优势比照 图6. 左图为100VP-P单层压电片 （SLD） ；右上图为 120VP-P多层压电条（MLS）； 右下列图为 30VP-P多层压电条（MLS） 方案选择 单层还是多层构造？ 表1提供的信息建议使用单层压电驱动器。单层片供货量大而且已经量产，投入

6、生产的多层压电体则相对较少。另外，单层压电体成本低很多，这在使用多个压电体的方案中十分重要。例如，市场上的很多手机在屏幕后面都安装了多个单层压电片，这种情况下使用多层压电体成本就要高很多。 分立方案还是单芯片方案？ 基于压电体的触觉反应方案的缺点之一是复杂度比较高，典型的压电体解决方案采用分立元件实现整个触觉反应系统，额外的分立元件包括一个微控制器、反激boost或集成电荷泵、反激变压器或电感，以及各种电阻、电容、二极管和晶体管。而基于直流马达的触觉反应方案需要很少甚至不需要外部元件。 单芯片触觉反应方案，如 MAX11835相比于传统分立设计有很多优势：较小的印制电路板尺寸、较低功耗、精简的

7、材料清单（BOM）以及简单的软件支持。考虑到压电体尺寸也很小， MAX11835对于手持设备是极具吸引力的解决方案。 图7 展示了单芯片高压触觉反应驱动控制器的框图： 图7. 使用压电驱动器的触觉反应方案框图 MAX11835 单芯片优化方案具有以下功能： 支持单层和多层压电驱动器 用户可定义的片上波形存储功能（通过串口） 片上波形发生器 内嵌DC-DC升压控制器 工作电压范围可满足典型的手机电池需求 小封装尺寸 低功耗 电源管理的重要性 压电体相对于直流马达驱动器来说功耗极低，尽管如此，仍有一些其它功耗因素需要考虑： 每次触碰从主电源消耗的功率 每次触碰的波形类型 每秒触碰次数 高压升压电路

8、消耗的功率 MAX11835触觉驱动控制器对各种压电驱动器和高压电容的功耗开展了测量。MAX11835可以回放boost转换器反应环路中软件控制的存储波形，测试波形包括100Hz正弦波和20Hz斜坡。 图8、9A和9B 显示了 MAX11835 驱动 175V 100Hz 正弦波时的输出，同时也画出了变压器主线圈电流。 图8.输出电压波形和 MAX11835 boost电源的电流波形 图9A. 100Hz连续正弦波下，功耗随负载的变化曲线 图9B. 峰值boost电源电流随负载变化的曲线图， 测试条件：频率 = 100Hz的正弦波；boost电源电压 = 4.2V；boost电源去耦电容 =

9、10uF；使用6:1变压器。 按下按键是普通的操作，图10所示波形需要40ms充电，10ms放电。缓慢充电在触碰屏幕的过程中不容易被察觉，而快速放电的感觉则如同释放一个机械按键。 图10. 按压按键的模拟波形 图11. 功耗与压电电压曲线图，用单层和多层压电体模拟按键的按压。当电压超过180V，MAX11835的原边钳位开启，功耗会急剧上升。 图11所示波形连续工作。功耗随着占空比的降低而线性下降。在机械负载（半阻塞作用力）和空载压电驱动器的压电体数据间没有显着的区别。 图12显示了MAX11835升压过程的效率，用负载消耗能量除以升压电源消耗能量（VBST）开展测量。 图12. 能量转换效率

10、：负载消耗能量与VBST消耗能量。电压超过180V时，MAX11835的原边钳位开启，效率快速上升。 图12中，效率随着负载电容的增大而上升，因为只有boost电路消耗静态功率。 MAX11835 功耗与马达驱动器功耗比照 MAX11835的功耗相对于马达驱动器来说非常低，马达驱动器包括偏振旋转（ERM）型、线性振荡驱动器（LRA）型和音圈型。 基于马达的驱动器通常需要低电压（1.8V至3V），电流却相当大。此外，马达的通、断特性，尤其是ERM型，不具备理想的模拟触感所需的反应信号。 表2和图13给出了驱动器的大量测量结果，测试了两种工作模式，连续工作和脉冲工作。实际情况通常不是连续工作方式，

11、因为很多触碰操作非常短暂，即使仿真纹理表面的仿真。 表 2. 马达驱动器的功耗 图13. 表2比照的驱动器，相关数据如下表2所示 图14显示了连续工作的功耗。图中压电体由幅度为180V、频率为100Hz的连续正弦波驱动。其它驱动器由3VDC或2VRMS （LRA 和音圈）驱动。 图14. 各种驱动器的连续工作下的功耗 图15显示了脉冲工作方式下的功耗，图中驱动器由50ms脉冲驱动，以此仿真按键按压操作。压电驱动器驱动幅度为180V ，其它驱动器驱动电压为3VDC或 2VRMS （LRA 和音圈）。 图15. 各种驱动器在脉冲工作方式下的功耗 结论 从以上讨论中可以得出很多结论。显然，基于多种考量，单层（非多层）压电驱动器是当前更具吸引