CN111128105B - 电磁蜂鸣器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁蜂鸣器，包括第一开关、续流管和电磁线圈，其特征在于：还增加两个开关，即第二开关和第三开关，由第二开关与电磁线圈及续流管串联在电源端与地端之间形成电磁线圈的续流回路，由第三开关与电磁线圈及第一开关串联在电源端与地端之间形成电磁线圈的励磁回路。本发明所产生的有益效果是，蜂鸣器消磁电压增加Vin电流下降速度较传统二极管消磁方案快，因此电磁力降低的速度加快，系统振动发出的声音更加清脆，同时通过Q2,D续流回路回收能量，蜂鸣器电阻发热降低，降低系统损耗。

Description

电磁蜂鸣器

技术领域

本发明涉及蜂鸣器，特别涉及一种低损耗的电磁蜂鸣器。

背景技术

蜂鸣器行业在10多年前已经处于停滞状态，那时的蜂鸣器的确能发出声音，也能正常使用，但是这些蜂鸣器都属于能耗较高的工作方式，市场上没有一款低功耗的节能型蜂鸣器，这是现阶段行业的痛点。

电磁蜂鸣器是利用电磁线圈对蜂鸣片的作用来发声的电子响讯器，该蜂鸣器电磁线圈的电路模型如图1所示，由线圈电感L_Buzzer和内阻R_Buzzer串联后形成两端子网络，其中电感L_Buzzer有物理形态，以下简称为电感L，内阻R_Buzzer无物理形态。传统电磁蜂鸣器电路模型如图2所示，由电磁线圈，续流二极管D1，MOS管Q1组成，电磁线圈包括电感L。当MOS管Q1开通后，处于励磁阶段，电源端Vin提供励磁电压、电感电流IL增加,直到电流增加到：Vin/R_Buzzer；当MOS管Q1关断后，在蜂鸣器电磁线圈的内阻压降和续流二极管D1的压降下电感电流减小，处于消磁阶段，消磁电压为I_Buzzer*R_Buzzer+VF，每周期伏秒平衡Vin/R_Buzzer＝(IL*R_Buzzer+VF)*Toff，其中，I_Buzzer是线圈电感电流，VF是续流二极管导通压降,Toff是线圈消磁时间。通过伏秒平衡公式可以得出随着电流的减小，消磁电压也在下降，导致电流下降速度变慢，拖尾很长，消磁时间Toff长，导致占空比不能做得太大。并且电感线圈储存的能量全部损耗在二极管和电阻的发热上。

图2电路由控制芯片的GATE引脚向MOS管Q的栅极输入控制信号实现控制，在控制电路电流的过程中，MOS管Q需要高频率地导通和关断。

图3为传统蜂鸣器电路工作波形，励磁阶段，Q导通，蜂鸣器两端电压VRL等于电源端输入电压Vin，蜂鸣器电感电压VL从输入电压逐渐降低到0，蜂鸣器电流IL从0逐渐增加到最大电流Vin/R_buzzer，消磁阶段，Q关断，显而易见二极管会导通，蜂鸣器两端电压VRL等于二极管电压Vd，蜂鸣器电感电压VL从(IL*R_buzzer+Vd)逐渐降低到0，蜂鸣器电流IL从最大值Vin/R_buzzer逐渐减小到0，完成一个周期的工作。图4所示为图2电路蜂鸣器电流I_Buzzer、续流二极管电流I_Diode、蜂鸣器电压U_Buzzer、Q驱动电压，在每一个开关周期，MOS管Q1开通期间，蜂鸣器电流增加，直到蜂鸣器电流上升到Vin/R_Buzzer，MOS管Q1关断期间，由电感特性容易得出，将通过二极管D1续流，同时蜂鸣器的特点，每周期电流归零，通过电压I_Buzzer*R_Buzzer+VF消磁,直到电感储存的能量全部消耗在续流二极管与电阻上电流降低到0，并且消磁电压随着电流的降低逐渐降低。

目前已有的电磁蜂鸣器均采用图2所示最基本的传统电路，通过上述电路工作过程的分析可知，该蜂鸣器电路有如下缺陷，MOS管Q1关断期间，电感储存的能量全部以发热的方式消耗，既增加功耗又增加系统的温升。消磁时间较长，导致无法做到更大的占空比，因为消磁占用的时间太长，蜂鸣器每周期电流需要归零，可以达到的最大占空比相应的减小，并且蜂鸣器释放振动膜片的速度慢，稍微削弱声音的强度。

纵观目前蜂鸣器市场，所存在的电磁蜂鸣器驱动电路，普遍如图2所示，采用简单的励磁、二极管续流消磁的方案，这种方案的缺陷是，消磁时间长，那么对蜂鸣器振动片的引力时间加长，但消磁阶段的功能却是为了快速放开振动片，因此蜂鸣器发出的声音不够清脆；增加系统损耗，消磁时间内电流经过蜂鸣器内阻和续流二极管，产生较高损耗。传统驱动电路虽然有缺陷，但是并不影响蜂鸣器的凑合着的态度去使用。撇开声音的质量不说，能源的浪费无法被接受，目前市场上电磁蜂鸣器的年使用量4亿只，整体损耗不可忽视，显而易见需要新一代节能的驱动器。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电磁蜂鸣器，可以降低蜂鸣器的发热、回收蜂鸣器电感储存的部分能量，从而达到减小损耗的目的。增加消磁电压，并且增加的消磁电压恒定，不随着电流的减小而变化，有利于蜂鸣器电磁线圈释放振动膜片更快，声音强度更高。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种电磁蜂鸣器，包括第一开关、续流管和电磁线圈，还增加两个开关，即第二开关和第三开关，由第二开关与电磁线圈及续流管串联在电源端与地端之间形成电磁线圈的续流回路，由第三开关与电磁线圈及第一开关串联在电源端与地端之间形成电磁线圈的励磁回路。

作为本发明的进一步改进，所述第一开关为MOS管Q1，续流管为二极管D1，第二开关为MOS管Q2，第三开关为MOS管Q3，电磁线圈包括电感L，其具体电路连接关系是，二极管D1的阴极分别与MOS管Q3源极及电源端Vin连接，二极管D1的阳极分别与电感L的一端及MOS管Q1的漏极连接；电感L的另一端分别与MOS管Q3的漏极及MOS管Q2的漏极连接，MOS管Q2源极接地，MOS管Q1源极接地。

作为本发明的进一步改进，所述第一开关为MOS管Q1，续流管为二极管D1，电磁线圈包括电感L，第二开关为二极管D2，第三开关为MOS管Q3，其具体电路连接关系是，二极管D1的阴极分别与MOS管Q3源极及电源端Vin连接，二极管D1的阳极分别与电感L的一端及MOS管Q1的漏极连接；电感L的另一端分别与MOS管Q3的漏极及二极管D2的阴极连接，二极管D2的阳极接地，MOS管Q1源极接地。

作为本发明的进一步改进，所述第一开关为MOS管Q1，续流管为MOS管Q4，第二开关为二极管D2，第三开关为MOS管Q3，电磁线圈包括电感L，其具体电路连接关系是，MOS管Q4的漏极分别与MOS管Q3源极及电源端Vin连接，MOS管Q4的源极分别与电感L的一端及MOS管Q1的漏极连接；电感L的另一端分别与MOS管Q3的漏极及二极管D2的阴极连接，二极管D2的阳极接地，MOS管Q1源极接地。

作为本发明的进一步改进，所述第三开关与第一开关是同步驱动，第二开关与第一开关是互补驱动。

作为本发明的进一步改进，所述第三开关与第一开关是同步驱动，第二开关在第一开关关断时段内导通，且第二开关的导通时间小于第一开关的关断时间。

作为本发明的进一步改进，所述第二开关的导通时间在不导致与第一开关共通的前提下尽可能的大，以缩短流过第二开关续流二极管电流的时间。

对应地，本发明还提供上述蜂鸣器驱动电路的控制方法，控制MOS管Q1与MOS管Q2互补导通，MOS管Q1与MOS管Q3同步导通；MOS管Q1和MOS管Q3导通期间，蜂鸣器中的电感励磁，电流增加，电磁力拉动振动膜；MOS管Q1和MOS管Q3关断期间，通过二极管D、MOS管Q2导通，蜂鸣器两端消磁电压为Vin+I_Buzzer*R_Buzzer+VF，电流降低，电磁力减小，释放振动膜片。

本发明电磁蜂鸣器的工作原理将结合具体的实施例进行分析说明，采用本发明可得到的有益效果为：功耗更低，并且在宽范围输入电压下效果更明显；消磁时间短，声音更清脆。

附图说明

图1为现有电磁蜂鸣器电磁线圈的等效电路模型图；

图2为传统电磁蜂鸣器驱动电路图；

图3为传统电磁蜂鸣器电路工作时序图；

图4为本发明电磁蜂鸣器的电路原理图；

图5为本发明电磁蜂鸣器的电路工作时序图；

图6为本发明电磁蜂鸣器的励磁等效电路与电流方向示意图；

图7为本发明电磁蜂鸣器的消磁等效电路和电流方向示意图；

图8为本发明实施例二电磁蜂鸣器的电路原理图；

图9为本发明实施例三电磁蜂鸣器的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一实施例

请参阅图4，为本发明第一实施例的电磁蜂鸣器，包括电磁线圈(可等效为线圈电感L_Buzzer和线圈内阻R_Buzzer)，还包括续流二极管D1、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3。其中，电磁线圈包括电感L，驱动信号GATE1、GATE2、GATE3分别为MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3的驱动信号。该电磁蜂鸣器的具体电路连接关系是，二极管D1的阴极分别与MOS管Q3源极及母线电源端Vin连接，二极管D1的阳极与电感L的一端共同连接MOS管Q1的漏极；电感L的另一端连接MOS管Q3的漏极和MOS管Q2的漏极，MOS管Q2源极接地，MOS管Q1源极接地。

电磁线圈等效电路中线圈电感L_Buzzer、线圈内阻R_Buzzer的串联关系可以互换，不影响蜂鸣器本体及外部的电路连接关系。

本实施例电磁蜂鸣器采取的电路控制方法为：MOS管Q1、Q3同时导通、关断，MOS管Q1关断的同时开通MOS管Q2，产生的有益效果是，蜂鸣器电流下降更快，同时通过MOS管Q2、二极管D1所形成的续流回路回收能量，蜂鸣器发热降低，从而降低系统损耗，本发明蜂鸣器的工作原理如下：

控制MOS管Q1与MOS管Q2互补导通，MOS管Q1与MOS管Q3同步导通。MOS管Q1、Q3导通期间(等效电路如图6)，蜂鸣器电磁线圈进行励磁，电流增加，电磁力拉动振动膜；关断期间(等效电路如图7)，通过Vin+I_Buzzer*R_Buzzer+VF消磁，电流降低，电磁力减小，释放振动膜片。

在其他实施例中，由于电磁蜂鸣器有极性，不用判断续流阶段结束时刻点，二极管D1截止不会出现蜂鸣器电流反向，控制方法更简单。MOS管Q2导通占空比，可以不与MOS管Q1、Q3对称，因为从蜂鸣器的电磁特性可以得出MOS管Q2关断时刻到MOS管Q1、Q3导通时刻的时间差，可以不等于MOS管Q1、Q3关断时刻到MOS管Q2开通时刻的时间差。MOS管Q1、Q3与MOS管Q2驱动要有合适的死区。MOS管Q2关断时刻与MOS管Q1、Q3的死区时间不能小于MOS管Q2导通时刻与MOS管Q1、Q3的死区时间。MOS管Q2导通时间在不导致MOS管Q1、Q3共通的前提下尽可能的小，以缩短流过MOS管Q2管体二极管电流的时间。

采用本发明电磁蜂鸣器方案可得到的有益效果为，蜂鸣器消磁电压为电源端Vin的电流下降速度较传统二极管消磁方案快，因此电磁力降低的速度加快，系统振动发出的声音更加清脆，同时通过MOS管Q2,、二极管D1续流回路回收能量，蜂鸣器电阻发热降低，降低系统损耗。在达到同等传统产品功能效果时，功耗更低，并且在宽范围输入电压下节能效果更明显。消磁时间短，声音更响亮。

本实施例电磁蜂鸣器的工作过程波形见图5，励磁阶段，MOS管Q1、Q3导通，MOS管Q2关断，蜂鸣器两端电压VRL等于电源端输入电压Vin，蜂鸣器电感电压VL从输入电压逐渐降低到0，蜂鸣器电流IL从0逐渐增加到最大电流Vin/R_buzzer。消磁阶段，MOS管Q1、Q3关断，MOS管Q2导通，二极管D1导通，蜂鸣器电磁线圈两端电压VRL等于二极管电压Vd与Vin之和，蜂鸣器电感电压VL从(IL*R_buzzer+Vd+Vin)逐渐降低到0，蜂鸣器电感电流IL从最大值Vin/R_buzzer逐渐减小到0，完成一个周期的工作。本实施例能够实现如下有益效果：

MOS管Q1、Q3关断后，线圈电感电流通过MOS管Q2与二极管D1续流，这时线圈电感电流给母线电容充电，回收蜂鸣器线圈电感能量，降低损耗，同时消磁电压增加，电流下降速度加快。消磁时间大幅度减少，从80.7uS降低到24uS(周期：400uS)，消磁时间从周期的20.2％下降到6％。由于电磁线圈消磁阶段时间的减少，蜂鸣器系统损耗从6.56mW降低到3.87mW，即节省了41％的能量，现蜂鸣器全年的使用量约有4亿只，那么本发明方案可节省能量：1076kW/h，这只是一个小时节省的能量，几乎相当为普通家庭一年的用电量，如果按一年的使用效果来看，本发明的电磁蜂鸣器方案可节省的能源相当于8760户家庭一年的总用电量，有益效果非常明显。

第二实施例

图8为本发明第二实施例电磁蜂鸣器的电路原理图；与第一实施例不同的是，将MOS管Q2替换为二极管D2，二极管D2的阳极接地，二极管D2的阴极分别连接电磁线圈的电感L的一端和MOS管Q3的漏极。MOS管Q1与Q3的开通是同步的，本实施例的工作原理及降低消磁时间的目的与第一实施例电磁蜂鸣器的相同，在此不再赘述。缺点是消磁过程中增加了一个二极管的损耗，即MOS管导通压降为0V，二极管为0.7V，因此在流过电流的同时，二极管的损耗稍多。

第三实施例

图9为本发明第三实施例电磁蜂鸣器的电路原理图；与第一实施例不同的是，将续流管替换为MOS管Q4，MOS管Q2替换为二极管D2，其具体电路连接关系是，MOS管Q4的漏极分别与MOS管Q3源极及电源端Vin连接，MOS管Q4的源极分别与电感L的一端及MOS管Q1的漏极连接；电感L的另一端分别与MOS管Q3的漏极及二极管D2的阴极连接，二极管D2的阳极接地，MOS管Q1源极接地。本实施例与第一实施例的工作原理相同，在此不再赘述。

本发明具有多种电路的形式变化，如图4、图8、图9所示，虽然变化多，但是达到的节能目的却一样，它们的等效电流通路如图6、图7所示，在蜂鸣器励磁阶段电流增加，蜂鸣器关断电流降低，并且消磁电压为输入电压加上电感内阻电压和拓扑压降。因此需要说明的是，对于本发明，可以通过稍微更换MOS管类型以及把二极管替换成MOS管，并且稍微更改控制方案，可以达到同样的效果，但是本质上励磁阶段电流流向如图6，消磁阶段电流流向如图7。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电磁蜂鸣器，包括第一开关、续流管和电磁线圈，其特征在于：还增加两个开关，即第二开关和第三开关，由第二开关与电磁线圈及续流管串联在电源端与地端之间形成电磁线圈的续流回路，由第三开关与电磁线圈及第一开关串联在电源端与地端之间形成电磁线圈的励磁回路；所述励磁回路用于对所述电磁线圈进行励磁；所述续流回路用于对所述电磁线圈消磁，并回收所述电磁线圈的电感能量。

2.根据权利要求1所述的电磁蜂鸣器，其特征在于：所述第一开关为MOS管Q1，续流管为二极管D1，第二开关为MOS管Q2，第三开关为MOS管Q3，电磁线圈包括电感L，其具体电路连接关系是，二极管D1的阴极分别与MOS管Q3源极及电源端Vin连接，二极管D1的阳极分别与电感L的一端及MOS管Q1的漏极连接；电感L的另一端分别与MOS管Q3的漏极及MOS管Q2的漏极连接，MOS管Q2源极接地，MOS管Q1源极接地。

3.根据权利要求1所述的电磁蜂鸣器，其特征在于：所述第一开关为MOS管Q1，续流管为二极管D1，电磁线圈包括电感L，第二开关为二极管D2，第三开关为MOS管Q3，其具体电路连接关系是，二极管D1的阴极分别与MOS管Q3源极及电源端Vin连接，二极管D1的阳极分别与电感L的一端及MOS管Q1的漏极连接；电感L的另一端分别与MOS管Q3的漏极及二极管D2的阴极连接，二极管D2的阳极接地，MOS管Q1源极接地。

4.根据权利要求1所述的电磁蜂鸣器，其特征在于：所述第一开关为MOS管Q1，续流管为MOS管Q4，第二开关为二极管D2，第三开关为MOS管Q3，电磁线圈包括电感L，其具体电路连接关系是，MOS管Q4的漏极分别与MOS管Q3源极及电源端Vin连接，MOS管Q4的源极分别与电感L的一端及MOS管Q1的漏极连接；电感L的另一端分别与MOS管Q3的漏极及二极管D2的阴极连接，二极管D2的阳极接地，MOS管Q1源极接地。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电磁蜂鸣器，其特征在于：所述第三开关与第一开关是同步驱动，第二开关与第一开关是互补驱动。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的电磁蜂鸣器，其特征在于：所述第三开关与第一开关是同步驱动，第二开关在第一开关关断时段内导通，且第二开关的导通时间小于第一开关的关断时间。

7.根据权利要求6所述的电磁蜂鸣器，其特征在于：所述第二开关的导通时间在不导致第一开关与第三开关共通的前提下尽可能的大，以缩短流过第二开关续流二极管电流的时间。

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