圖4.壓電體阻抗與頻率

　　壓電體可以工作在諧振頻率，以滿足自激振蕩在固定頻率的需求，例如超聲振蕩器。然而，用于觸覺反饋的壓電驅動器通常工作在遠遠低于諧振頻率的位置。

　　對于音頻應用，效率是最關心的問題，觸覺反饋則與之不同，觸覺反饋的關鍵問題不是效率，而是人的觸感。超過幾百兆赫茲的振動不但不能提供很好的觸覺反饋，反而消耗不必要的功率。周期超過幾毫秒的振動可以產生較強觸感，但也會產生不希望聽到的喀噠聲。

　　圖5展示了一個典型的觸感波形圖，波形模擬了對一個機械按鍵按壓和釋放的感覺。波形的上升沿，P0到P1，反映了按壓的觸覺響應；下降沿，P2到P3，反映了釋放的觸覺響應。從P1到P2的時間是用戶按住機械按鍵的持續時間，由用戶決定。

　　圖5.一個典型觸覺反饋的波形示例

　　當構建一個基于壓電體的觸覺反饋系統時，首先需要決定的是使用單層還是多層壓電驅動器（圖6）。表1總結了兩種壓電類型的對比。

　　表1.單層和多層壓電驅動器的優勢對比

　　圖6. 左圖為100VP-P單層壓電片 （SLD） ；右上圖為 120VP-P多層壓電條（MLS）； 右下圖為 30VP-P多層壓電條（MLS）

　　方案選擇

　　單層還是多層結構？

　　表1提供的信息建議使用單層壓電驅動器。單層片供貨量大而且已經量產，投入生產的多層壓電體則相對較少。另外，單層壓電體成本低很多，這在使用多個壓電體的方案中十分重要。例如，市場上的很多手機在屏幕后面都安裝了多個單層壓電片，這種情況下使用多層壓電體成本就要高很多。

　　分立方案還是單芯片方案？

　　基于壓電體的觸覺反饋方案的缺點之一是復雜度比較高，典型的壓電體解決方案采用分立元件實現整個觸覺反饋系統，額外的分立元件包括一個微控制器、反激boost或集成電荷泵、反激變壓器或電感，以及各種電阻、電容、二極管和晶體管。而基于直流馬達的觸覺反饋方案需要很少甚至不需要外部元件。

　　單芯片觸覺反饋方案，如 MAX11835相比于傳統分立設計有很多優勢：較小的印制電路板尺寸、較低功耗、精簡的材料清單（BOM）以及簡單的軟件支持。考慮到壓電體尺寸也很小， MAX11835對于手持設備是極具吸引力的解決方案。

　　圖7 展示了單芯片高壓觸覺反饋驅動控制器的框圖：

　　圖7. 使用壓電驅動器的觸覺反饋方案框圖

　　MAX11835 單芯片優化方案具有以下功能：

　　●支持單層和多層壓電驅動器

　　●用戶可定義的片上波形存儲功能（通過串口）

　　●片上波形發生器

　　●內嵌DC-DC升壓控制器

　　●工作電壓范圍可滿足典型的手機電池需求

　　●小封裝尺寸

　　●低功耗

　　電源管理的重要性

　　壓電體相對于直流馬達驅動器來說功耗極低，盡管如此，仍有一些其它功耗因素需要考慮：

　　●每次觸碰從主電源消耗的功率

　　●每次觸碰的波形類型

　　●每秒觸碰次數

　　●高壓升壓電路消耗的功率

　　MAX11835觸覺驅動控制器對各種壓電驅動器和高壓電容的功耗進行了測量。MAX11835可以回放boost轉換器反饋環路中軟件控制的存儲波形，測試波形包括100Hz正弦波和20Hz斜坡。

　　圖8、9A和9B 顯示了 MAX11835 驅動 175V 100Hz 正弦波時的輸出，同時也畫出了變壓器主線圈電流。

　　圖8.輸出電壓波形和 MAX11835 boost電源的電流波形

 

　　圖9A. 100Hz連續正弦波下，功耗隨負載的變化曲線

　　圖9B. 峰值boost電源電流隨負載變化的曲線圖，

　　測試條件：頻率 = 100Hz的正弦波；boost電源電壓 = 4.2V；boost電源去耦電容 = 10uF；使用6:1變壓器。

　　按下按鍵是最普通的操作，圖10所示波形需要40ms充電，10ms放電。緩慢充電在觸碰屏幕的過程中不容易被察覺，而快速放電的感覺則如同釋放一個機械按鍵。

　　圖10. 按壓按鍵的模擬波形

　　圖11. 功耗與壓電電壓曲線圖，用單層和多層壓電體模擬按鍵的按壓。當電壓超過180V，MAX11835的原邊鉗位開啟，功耗會急劇上升。

　　圖11所示波形連續工作。功耗隨著占空比的降低而線性下降。在機械負載（半阻塞作用力）和空載壓電驅動器的壓電體數據間沒有顯著的區別。

　　圖12顯示了MAX11835升壓過程的效率，用負載消耗能量除以升壓電源消耗能量（VBST）進行測量。

　　圖12. 能量轉換效率：負載消耗能量與VBST消耗能量。電壓超過180V時，MAX11835的原邊鉗位開啟，效率快速上升。

　　圖12中，效率隨著負載電容的增大而上升，因為只有boost電路消耗靜態功率。

　　MAX11835 功耗與馬達驅動器功耗對比

　　MAX11835的功耗相對于馬達驅動器來說非常低，馬達驅動器包括偏振旋轉（ERM）型、線性振蕩驅動器（LRA）型和音圈型。

　　基于馬達的驅動器通常需要低電壓（1.8V至3V），電流卻相當大。此外，馬達的通、斷特性，尤其是ERM型，不具備理想的模擬觸感所需的反饋信號。

　　表2和圖13給出了驅動器的大量測量結果，測試了兩種工作模式，連續工作和脈沖工作。實際情況通常不是連續工作方式，因為很多觸碰操作非常短暫，即使仿真紋理表面的仿真。

　　表 2. 馬達驅動器的功耗

　　

 

　　圖13. 表2對比的驅動器，相關數據如表2所示

　　圖14顯示了連續工作的功耗。圖中壓電體由幅度為180V、頻率為100Hz的連續正弦波驅動。其它驅動器由3VDC或2VRMS （LRA 和音圈）驅動。

　　圖14. 各種驅動器的連續工作下的功耗

　　圖15顯示了脈沖工作方式下的功耗，圖中驅動器由50ms脈沖驅動，以此仿真按鍵按壓操作。壓電驅動器驅動幅度為180V ，其它驅動器驅動電壓為3VDC或 2VRMS （LRA 和音圈）。

　　圖15. 各種驅動器在脈沖工作方式下的功耗

　　結論

　　從以上討論中可以得出很多結論。顯然，基于多種考量，單層（非多層）壓電驅動器是當前更具吸引力的設計方案：

　　成本最低

　　供貨渠道眾多

　　大規模量產

　　提供定制設計

　　可安裝在LCD背面或側面

　　數據顯示，應該對觸覺反饋電路消耗電源功率進行詳細計算，波形幅度、類型和持續時間都會影響功耗的大小和觸覺響應。

　　每秒鐘觸碰的次數也會影響功耗，需要考慮滾動或滑動操作，還是輕按或緩慢鍵入等，這些因素都會影響功耗。最后，把測量結果歸一化為每秒鐘進行的一次觸碰操作，以便比較。

　　本文來自: 中國觸摸屏網(http://www.51touch.com/) 詳細出處參考：http://www.51touch.com/touchscreen/news/front/201104/29-9877.html