CN110473508B - 一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动方法及驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动方法和驱动电路，通过设定一个恒定计时时间和一个恒定的蜂鸣器峰值电流，在开始驱动串联在蜂鸣器回路上的开关管导通后，采样蜂鸣器串联回路上的电流，当采样电流达到设定的蜂鸣器峰值电流时，开始计时，同时通过采样电流的反馈来调节所述开关管上的阻抗变化，使流经串联回路上蜂鸣器的电流保持恒定不变；计时结束后即刻关断开关管，蜂鸣器电流通过续流回路，将激磁能量减少到零，直到下一次开关管再开通，形成一个完整的驱动周期。通过控制蜂鸣器流过的电流一致，并且电流的保持时间一致，就能够达到保证声压级一致。

Description

一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动方法及驱动电路

技术领域

本发明涉及一种蜂鸣器的控制方法，特别涉及应用在电磁蜂鸣器上的一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动方法及驱动电路。

背景技术

蜂鸣器是一种电子讯响器，广泛应用于报警器、电子玩具、定时器、计算机、打印机、小家电等领域，其中蜂鸣器又分为电磁式和压电式，压电式一般使用在体积较大场合，电磁式一般应用在一些小型化的场合，电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成，一定频率的交流变化电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发出声音。

一般传统的控制电磁蜂鸣器的方法有两种，一种是使用控制IC驱动蜂鸣器上串联的开关管，开关管上给一个固定50％左右的占空比，固定频率来进行驱动的，导通开关管，蜂鸣器串联回路的电流对蜂鸣器激磁；关断开关管，蜂鸣器电流通过续流回路，激磁能量减少到零，直到下一次开关管再开通。如图1所示，输入电压正极VIN+连接一个输入电容Cin的正极，输入电容的负极连接系统的参考地GND，开关管漏极连接蜂鸣器Buzzer的输出端以及续流二极管的阳极，开关管源极连接系统的参考地GND，续流二极管的阴极连接输入正极VIN+，蜂鸣器的输入端连接输入正极VIN+。这样的驱动方法只能够满足输入电压范围很窄的应用，如果标称电压是3V，那么他的范围最大就只能在1.5V-5V工作，否则声压级变化会很大，而且功耗随着输入电压的升高成平方关系增加，因为蜂鸣器的损耗基本上都在它自己的线圈上面，线圈上流过的电流有效值越大，损耗越大，另外一种是采用自激震荡的方式来实现的，如图2所示，这种方案不需要外部驱动，但是需要两个绕组，一个三极管和两个二极管以及一个电阻，特别是绕组的绕制成本会比较大，并且这种方式的工作频率是通过参数配出来的，因此频率的一致性较差，这种实现方法和固定占空比的效果都差不多，也是产生一个固定的开通时间，都相当于用一个固定占空比来控制蜂鸣器的通断，所以同样只能够满足输入电压范围很窄的应用，并且功耗随着输入电压的升高成平方关系增加，因为蜂鸣器的损耗基本上都在它自己的线圈上面，线圈上流过的电流有效值越大，损耗越大，经过实际测试传统驱动方案标称5V输入的电磁蜂鸣器，声压级在输入电压范围3V-12V的变化情况如下表1所示：

表1传统电磁蜂鸣器宽电压测试数据

输入电压(V)	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
											输入电流(mA)	15.1	20.1	24.9	29.4	33.6	37.8	41.7	45.5	49.1	53.0
输入功率(mW)	45.3	80.4	125	176	235	302	375	455	540	636
											声压(dB)	75.4	79.4	79.7	82.5	79.1	80.1	84.7	86.4	86.4	85.1

我们可以看到，在这个电压范围内声压级变化达到了10dB,并且功耗从45.3mW升高到了636mW，而一般蜂鸣器最大的功耗都不能超过250mW，否则可能因为发热导致性能下降或者可靠性降低。所以蜂鸣器厂商就需要根据实际客户端应用的电压(通常3V-24V最多)，设计和制造不同输入电压下对应的型号，因此造成设计方面和制造方面的成本大大增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动方法，可以直接应用在3V-24V的宽输入电压范围，并且保证发出的声压级变化小。

本发明的另一个目的在提供一种实现上述方法的驱动电路。

一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动方法，设定一个恒定计时时间和一个恒定的蜂鸣器峰值电流，在开始驱动串联在蜂鸣器回路上的开关管导通后，采样蜂鸣器串联回路上的电流，当采样电流达到设定的蜂鸣器峰值电流时，开始计时，同时通过采样电流的反馈来调节所述开关管上的阻抗变化，使流经串联回路上蜂鸣器的电流保持恒定不变；计时结束后即刻关断开关管，蜂鸣器电流通过续流回路，将激磁能量减少到零，直到下一次开关管再开通，形成一个完整的驱动周期。在周期性的运行过程中蜂鸣器内部震动膜片来回震动发出声响，并且蜂鸣器电流大小和保持时间不随输入电压变化而变化，要保证蜂鸣器的声压级在宽电压下一致，就需要保证蜂鸣器振动幅度一致，而通过控制蜂鸣器流过的电流一致，并且电流的保持时间一致，就能够达到保证声压级一致。

所述的设定的计时时间比传统方案的导通时间小很多，为一个驱动周期的5-10％，因此功耗也比较低。

所述峰值电流为最低输入电压下除以蜂鸣器内阻值的70％-90％。

一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动电路，包括串联在蜂鸣器回路上的开关模块和续流模块，还包括恒压输出供电模块、基准生成电路、振荡器、电流采样模块、逻辑模块、计时模块和关断模块，输入电压正极连接到供电模块，供电模块输出恒定电压信号，恒定电压信号输入到基准生成电路中，同时给其他模块供电；基准生成电路输出第一基准电压信号到计时模块，输出第二基准信号到逻辑模块，振荡器输出时钟信号到逻辑模块，逻辑模块输出一个驱动电压信号输入到开关模块；逻辑模块输出另一个计时控制信号到计时模块中，计时模块输出一个关断电压信号到关断模块，关断模块输出关断控制信号到开关模块；开关模块的输出连接电流采样模块，电流采样模块输出信号到逻辑模块，同时电流采样模块连接参考地；在计时模块中设定一个恒定计时时间，在逻辑模块中设定一个恒定的蜂鸣器峰值电流，通过电流采样模块采样开关模块串联回路上的电流，当采样电流达到设定的蜂鸣器峰值电流时，计时模块开始计时，同时逻辑模块通过采样电流的反馈来调节所述开关模块的阻抗变化，使流经串联回路上蜂鸣器的电流保持恒定不变；计时结束后即刻关断开关模块，蜂鸣器电流通过续流模块形成回路，将激磁能量减少到零，直到下一次开关模块再开通，形成一个完整的驱动周期。

进一步的，所述的计时时间为一个驱动周期的5-10％，所述第一基准电压信号根据所述计时时间来设定。

进一步的，所述峰值电流为最低输入电压下除以蜂鸣器内阻值的70％-90％，所述第二基准电压信号根据所述峰值电流来设定。

进一步的，还包括驱动模块，驱动模块连接在逻辑模块驱动电压输出端和开关模块输入端之间，以进一步放大逻辑模块输出的驱动电压信号，以确保驱动开关模块的导通。

优化的，逻辑模块包括第一比较器、运算放大器和SR锁存器，第一比较器的负向输入端和运算放大器的正向输入端共同连接第一基准电压信号，第一比较器的正向输入端和运算放大器的负向输入端共同连接到电流采样模块输出端，第一比较器的输出端连接SR锁存器的输入端R，SR锁存器输入端S连接振荡器的输出，运算放大器的输出端连接驱动模块输入端。

优化的，计时模块包括反相器、NMOS管Q3、NMOS管Q4、电阻R1、电容C2和第二比较器，电阻R1一端连接供电模块输出，电阻R1另一端连接NMOS管Q3的漏极，NMOS管Q3的栅极连接反相器的输出端，反相器的输入端连接SR锁存器的输出端Q，NMOS管Q3的源极连接NMOS管Q4的漏极和第二比较器的正向输入端，NMOS管Q4的源极接地GND，NMOS管Q4的栅极连接SR锁存器的输出端Q，第二比较器的正向输入端连接电容C2的正极，电容的负极连接地，第二比较器的负向输入端连接第一基准电压信号，第二比较器的输出端连接关断模块。

本发明的有益效果在于：

1、由于可以控制了3V到24V输入电压下都保持一样的较小峰值电流，较少的电流持续时间，因此蜂鸣器不会因为输入电压升高而导致峰值电流线性增加，导致烧毁；确保能够让蜂鸣器工作在3V-24V宽输入电压范围下正常工作；

2、由于控制的峰值电流是基于低压下的一个最大峰值电流的百分比，因此峰值电流比较小，同时作用时间相比传统方案少很多，因此功耗大大降低；

3、由于控制了3V到24V输入电压下都保持一样的峰值电流，一样的峰值电流作用时间，因此蜂鸣器膜片的震动幅度可以保持一样，可以保持声压级基本一致。能够保证蜂鸣器工作在3V-24V宽输入电压范围的同时它的声压级变化比较小，保持较稳定的声音大小。

4、传统方案因为不能工作在宽输入电压下，因此在不同的输入电压下需要设计不同的蜂鸣器型号来匹配输入电压，而本发明只要设计一款蜂鸣器型号就可以通用在3V-24V的宽输入电压范围下了，因此型号大大减少，可以让蜂鸣器厂家减少蜂鸣器的型号数量。

附图说明

图1为传统方案1的原理图；

图2为传统方案2的原理图；

图3本发明的原理框图；

图4本发明具体实施例的原理图。

具体实施方式

如图3所示为本发明驱动电路连接蜂鸣器的原理框图，其中包含：供电模块2、基准生成电路1、振荡器、续流模块5、开关模块8、电流采样模块9、驱动模块4、逻辑模块3、计时模块6和关断模块7，其连接关系为：输入电压正极VIN+连接一个输入电容Cin的正极，输入电容的负极连接系统的参考地GND，输入电压正级VIN+连接到供电模块，供电模块输出恒定电压信号VDD，VDD信号输入到基准生成电路中，同时给其他模块供电，基准生成电路输出电压信号VREF1到计时模块，输出信号VREF2到逻辑模块，振荡器OSC输出一个时钟信号到逻辑模块，逻辑模块输出一个驱动电压信号VF，并输入到驱动模块中，驱动模块输出电压信号GT1，并输入到开关模块，逻辑模块还输出一个计时控制电压信号GT0到计时模块中，VDD信号也输入到计时模块中，计时模块输出一个关断电压信号Voff到关断模块，关断模块输出控制信号到开关模块输入端，开关模块同时还连接蜂鸣器Buzzer的输出端以及续流模块的输入端，还有电流采样模块，续流模块输出端连接系统输入正极VIN+，蜂鸣器的输入端连接系统输入正极VIN+，电流采样模块输出信号VCS到逻辑模块，同时电流采样模块连接参考地GND。

所述的供电模块是把输入电压转化为一个给其他模块供电的电压VDD，所述的基准生成电路的功能是把VDD电压转化为两个内部使用的基准电压VREF1和VREF2，所述振荡器是提供一个固定频率的时钟信号的模块，所述的计时模块，功能是在峰值电流达到设定值以后开始计时一个固定时间，所述的关断模块，功能是当计时模块计时到了以后控制开关模块关断，所述的电流采样模块，功能是对蜂鸣器流过的电流进行采样并转化为一个电压信号VCS给逻辑模块，所述的逻辑模块的作用是整合基准信号VREF2，振荡器信号OSC和电流采样信号VCS，最终产生一个计时控制信号GT0，所述驱动模块的功能是把驱动电压信号VF的驱动能力放大为信号GT1，所述的开关模块的作用是根据驱动信号GT1的信号来控制蜂鸣器Buzzer是否形成闭合回路，产生电流，所述的续流模块的作用是给蜂鸣器提供一个续流回路释放能量。

工作原理为：输入端电压达到启动电压后，经过供电模块后的VDD达到设定值，给其他各模块供电，同时基准生成电路产生基准VREF1和VREF2，分别输入到计时模块和逻辑模块，用于设定计时时间和蜂鸣器峰值电流，初始状态下VF电压为高电平，经过驱动模块后输出信号GT1，控制开关模块开通，让蜂鸣器串联的整个回路闭合，蜂鸣器上面的电流增加，激磁能量增加，电流采样模块采样蜂鸣器电流，当电流达到设定值后计时模块开始计时，同时驱动电压GT1自动调节使开关模块的阻抗变化，使流经蜂鸣器的电流保持恒定不变，计时模块计时完成之后关断开关模块，蜂鸣器电流通过续流模块形成回路，激磁能量减少到零，直到下一次开关模块再开通，形成一个完整的周期，在周期性的运行过程中蜂鸣器内部震动膜片来回震动发出声响，并且蜂鸣器电流大小和保持时间不随输入电压变化而变化，要保证蜂鸣器的声压级在宽电压下一致，就需要保证蜂鸣器振动幅度一致，而通过控制蜂鸣器流过的电流一致，并且电流的保持时间一致，就能够达到保证声压级一致的目的，与此同时，保持时间比传统方案的导通时间小很多，一般保持时间仅为一个周期的5％-10％左右，因此功耗也比较低。

如图4为上述原理框图的一个优化实施电路原理图，所述的基准产生模块由电阻RA、RB、RC、RD构成，所述的供电模块由LDO构成、所述的计时模块由反相器D、NMOS管Q3、Q4、电阻R1、电容C2、比较器B构成，所述的关断模块由NMOS管Q5构成，所述的逻辑模块由比较器A、运算放大器C、SR锁存器构成，所述的驱动模块由三极管Q1、Q2和电阻R2构成，所述的开关模块由NMOS管TR1构成，所述的续流模块由二极管D1构成，所述的电流采样模块由电阻R4、电容C1、采样电阻R3构成；其连接关系为：电阻RA和RC的一端共同连接到LDO的输出端Vdd，电阻RA的另外一端连接电阻RB，电阻RB的另外一端接GND，电阻RC的另外一端连接电阻RD，电阻RD的另外一端接GND，基准电压VREF1和VREF2的输出端分别为电阻RA和RB的连接点以及电阻RC和RD的连接点，供电模块LDO的输入端连接输入电压正极Vin+，输出端为Vdd。计时模块的电阻R1一端连接Vdd，另外一端连接NMOS管Q3的漏极，Q3的栅极连接反相器D的输出端，反相器D的输入端连接SR锁存器的输出端Q，Q3的源极连接NMOS管Q4的漏极和比较器B的正向输入端，Q4的源极接GND，Q4的栅极连接SR锁存器的输出端Q，比较器B的正向输入端连接电容C2的正极，电容的负极连接GND，比较器B的负向输入端连接RA和RB的连接点，也就是VREF1点，比较器B的输出端连接关断模块中NMOS管Q5的栅极，Q5的源极接GND，漏极接开关模块中开关管TR1的栅极，逻辑模块中比较器A的负向输入端和运算放大器C的正向输入端共同连接到基准产生模块输出的VREF2点上，比较器A的正向输入端和运算放大器C的负向输入端共同连接到电流采样模块电容C1的正极，电容C1的负极连接GND，比较器A的输出端连接SR锁存器的输入端R，锁存器SR输入端S连接振荡器的输出OSC，运算放大器C的输出端连接驱动模块中三极管Q1的基极和三极管Q2的基极，驱动模块中三极管Q1的集电极连接。LDO的输出端为Vdd信号，驱动模块中的三极管Q1的集电极连接Vdd，NPN三极管Q1的发射极和PNP三极管Q2的发射极相连并且连接到开关管TR1的栅极，三极管Q2的集电极连接GND，开关管TR1的漏极连接蜂鸣器的输出端和续流二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接蜂鸣器的输入端，并连接到输入电压正极Vin+上面，开关管TR1的源极连接采样电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接到GND，电阻R2连接在开关管TR1的栅极和源极两端，电阻R4的一端接在开关管TR1的源极，另外一端连接比较器A的正向输入端，电容C1连接在比较器A的正向输入端和GND之间。

具体原理为：在输入端接通电源达到启动电压3V以后，供电模块LDO产生一个固定的Vdd电压，给内部电路提供电能，因为初始状态下蜂鸣器的峰值电流采样电压为零，因此比较器A输出高电平信号VF，经过驱动电路放大后驱动开关管TR1开通，蜂鸣器串联回路形成闭合回路，蜂鸣器电流增加，初始状态下比较器A的输出端为低电平，振荡器为高电平，因此SR锁存器的输出信号GT0为高电平，控制NMOS管Q4开通，电容C2上面的电压保持零伏，不计时。当峰值电流上升到设定值的时候比较器A输出高电平，SR锁存器复位，输出低电平，GT0变低，Q4关断，经过反相器D反向后控制Q3开通，LDO通过电阻R1给C2充电，开始计时；与此同时运算放大器C的输出电压也跟着调整，保持在一个合适的电压下，由于NMOS管当Vds＞Vgs-Vgs_(th)时，工作在恒流区，每一个Vgs就有一个确定的Id，因此只要控制了开关管TR1栅极电压，就可以保持开关管TR1的电流恒定。这样通过保持NMOS开关管TR1的栅源电压不变，在输入电压升高时，漏极电压升高，开关管TR1阻抗增加；输入电压降低，漏极电压下降，开关管TR1阻抗减小，保持了漏源电流继续为一个恒定值；也就保证流经蜂鸣器的电流是一个固定值，因此在3V到24V宽输入电压范围下都可以保证蜂鸣器正常工作，保持声压一致。当电容C2的电压充到基准电压VREF1的时候，比较器B的输出电压Voff变为高电平，控制Q5开通，然后把GT1的电压拉低，进而关断开关管TR1，蜂鸣器电流通过续流二极管D1形成回路，激磁能量减少到零，直到下一次开关管TR1再开通，形成一个完整的周期。上述的计时时间通常选择在一个驱动周期的5-10％，第一基准电压VREF1根据计时时间来设定。上述峰值电流通常选择为最低输入电压下除以蜂鸣器内阻值的70％-90％，第二基准电压VREF2根据峰值电流来设定。另外，根据具体的声压大小的需求，峰值电流大，计时时间就可以相对少一些，峰值电流选择小的话，计时时间相对可长一些。

上述具体实施电路可以做成集成电路，封装成一个SOT-23封装的芯片。

根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述检测上升沿的思想前提下，本发明的检测电路还有其它的实施方式；因此本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动电路，包括串联在蜂鸣器回路上的开关模块和续流模块，其特征在于：还包括恒压输出供电模块、基准生成电路、振荡器、电流采样模块、逻辑模块、计时模块和关断模块，输入电压正极连接到供电模块，供电模块输出恒定电压信号，恒定电压信号输入到基准生成电路中，同时给其他模块供电；基准生成电路输出第一基准电压信号到计时模块，输出第二基准电压信号到逻辑模块，振荡器输出时钟信号到逻辑模块，逻辑模块输出一个驱动电压信号输入到开关模块；逻辑模块输出另一个计时控制信号到计时模块中，计时模块输出一个关断电压信号到关断模块，关断模块输出关断控制信号到开关模块；开关模块的输出连接电流采样模块，电流采样模块输出信号到逻辑模块，同时电流采样模块连接参考地；在计时模块中设定一个恒定计时时间，在逻辑模块中设定一个恒定的蜂鸣器峰值电流，通过电流采样模块采样开关模块串联回路上的电流，当采样电流达到设定的蜂鸣器峰值电流时，计时模块开始计时，同时逻辑模块通过采样电流的反馈来调节所述开关模块上的阻抗变化，使流经串联回路上蜂鸣器的电流保持恒定；计时结束后即刻关断开关模块，蜂鸣器电流通过续流模块形成回路，将激磁能量减少到零，直到下一次开关模块再开通，形成一个完整的驱动周期。

2.根据权利要求1所述的一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动电路，其特征在于：所述的计时时间为一个驱动周期的5-10％，所述第一基准电压信号根据所述计时时间来设定。

3.根据权利要求1所述的一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动电路，其特征在于：所述峰值电流为最低输入电压下除以蜂鸣器内阻值的70％-90％，所述第二基准电压信号根据所述峰值电流来设定。

4.根据权利要求1所述的一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动电路，其特征在于：还包括驱动模块，驱动模块连接在逻辑模块驱动电压输出端和开关模块输入端之间。

5.根据权利要求1所述的一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动电路，其特征在于：所述逻辑模块包括第一比较器、运算放大器和SR锁存器，第一比较器的负向输入端和运算放大器的正向输入端共同连接第二基准电压信号，第一比较器的正向输入端和运算放大器的负向输入端共同连接到电流采样模块输出端，第一比较器的输出端连接SR锁存器的输入端R，SR锁存器输入端S连接振荡器的输出，运算放大器1的输出端连接驱动模块输入端。

6.根据权利要求1所述的一种实现宽电压输入的蜂鸣器驱动电路，其特征在于：所述计时模块包括反相器、NMOS管Q3、NMOS管Q4、电阻R1、电容C2和第二比较器，电阻R1一端连接供电模块输出，电阻R1另一端连接NMOS管Q3的漏极，NMOS管Q3的栅极连接反相器的输出端，反相器的输入端连接SR锁存器的输出端Q，NMOS管Q3的源极连接NMOS管Q4的漏极和第二比较器的正向输入端，NMOS管Q4的源极接地GND，NMOS管Q4的栅极连接SR锁存器的输出端，第二比较器的正向输入端连接电容C2的正极，电容的负极连接地GND，第二比较器的负向输入端连接第一基准电压信号，第二比较器的输出端连接关断模块。

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