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Wie ein Piezohaptik-Treiber die Batterielebensdauer verlängert

Autor / Redakteur: Tim Dhuyvetter und Dr. Nazzareno Rossetti * / Kristin Rinortner

Piezohaptische Treiber sind komplex und energiehungrig. Wir stellen einen Energieerhaltungsmechanismus vor, der Leistungsverluste minimiert und so die Batterielaufzeit des mobilen Geräts maximiert.

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Potenziale der Haptik: Virtuelle und sichere Berührung mit haptischer Technologie.
Potenziale der Haptik: Virtuelle und sichere Berührung mit haptischer Technologie.
(Bild: Shutterstock)

Wie wäre es, wenn man beim Fotografieren – zum Beispiel einer Schlange – die Finger auf dem Smartphone über das Motiv bewegen könnte, um die Schuppen auf der Schlangenhaut zu erspüren? Bald könnte das möglich werden. Die Haptik ist eine Technik, die mittels Kräften, Vibrationen oder Bewegungen eine Rückmeldung an den Tastsinn des Nutzers gibt. Studien zeigen, dass Benutzer virtueller Tastaturen im Durchschnitt wesentlich schneller tippen, wenn sie eine taktile Rückmeldung erhalten. Damit dies alles möglich wird, geht die Haptik über die Möglichkeiten hinaus, die ein Vibrationsmotor bietet, und nutzt die Flexibilität von piezoelektrischen Aktoren.

Piezoelektrische Aktoren in modernen haptischen Sensorsystemen geben dem Anwender bei der Interaktion über elektronische Displays in tragbaren Geräten oder Wearables ein taktiles Feedback. Piezohaptische Treiber sind komplex und brauchen viel Energie. Der Beitrag beschreibt eine Lösung, bei der der Aufwärtswandler als Hochspannungsquelle dient und den Verstärker ersetzt, der den Wechselstrom für das kapazitive Piezoelement liefert. Leistungsverluste werden minimiert und somit die Lebensdauer der Batterie des mobilen Geräts maximiert.

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Ein piezoelektrischer Aktor wandelt ein elektrisches Signal in ein präzises Ausgangssignal um. Um eine deutliche Auslenkung zu erzeugen (Bild 1) liegt die Signalstärke im zweistelligen Volt-Bereich bei Frequenzen von einigen Hundert Hertz. So wie das menschliche Ohr bestimmte Frequenzen lauter wahrnimmt als andere, werden Vibrationen in ihrer Intensität unterschiedlich wahrgenommen.

Wie beim Hörvorgang ist die Intensität taktiler Reize proportional zur Frequenz und zur Amplitude der Vibration. Durch die Veränderung der Stärke und des Vibrationsmusters entsteht praktisch eine unbegrenzte Anzahl an Kombinationen, Rhythmen oder Übermittlungen.

Piezoaktoren verhalten sich kapazitiv, wenn sie unterhalb ihrer elektrischen Resonanzfrequenzen betrieben werden. Die piezobasierte Haptik bietet mehrere Vorteile gegenüber konkurrierenden Technologien, darunter eine schnelle Reaktionszeit, kleine Abmessungen, niedrigen Energiebedarf, verschiedene Piezoeigenschaften und Montagemöglichkeiten.

Das haptische System im Überblick

Bild 2 zeigt das Blockdiagramm eines mehrkanaligen haptischen Systems. Betätigt der Benutzer eine Taste, wird dies vom kapazitiven Berührungssensor-IC erkannt. Dieser gibt die Information an den Mikroprozessor weiter, der den Haptiktreiber anweist, das entsprechende Vibrationsmuster auf das vom Hochspannungsmultiplexer angesteuerte Piezoelement anzuwenden.

Auf diese Weise nimmt der Benutzer die Betätigung der Taste wahr. Damit das funktioniert, muss die Ansprechzeit höher sein als die Zeitverzögerung bis zur Wahrnehmung durch den Bediener. Ein haptisches Ereignis mit einer Verzögerung von 5 ms oder kürzer wird vom Benutzer als gleichzeitig wahrgenommen.

Bild 3: Beispiel für eine haptische 
Treiberlösung.
Bild 3: Beispiel für eine haptische 
Treiberlösung.
(Bild: Maxim)

Bild 3 zeigt eine typische Implementierung eines piezobasierten Haptiktreiber-ICs für tragbare Geräte. Ein Aufwärtswandler erhöht die Spannung der Lithium-Ionen-Batterie auf 60 V und liefert die erforderliche Hochspannung für den Class-AB-Verstärker.

Diese Lösung erfordert eine hohe Eingangsspannung für den IC. Eine hohe Verlustleistung ist bei Anwendungen von tragbaren Geräten problematisch. Zunächst trägt der lineare Class-AB- Verstärker aufgrund seines Wirkungsgrads von 60% erheblich zur Verlustleistung bei und auch der Aufwärtswandler mit einem Wirkungsgrad von 85% führt zu weiteren Verlusten. Beispielsweise summiert sich bei einer Kapazität von 1 µF mit einer Spannung von 100 VP-P bei einer Frequenz von 200 Hz der Wert für die Verlustleistung auf 1 W:

P=1/2 CU2 * f = 0,5 * 10-6 * 1002 * 200 = 1 W.

Aufgrund des Wirkungsgrads des Systems von 50 % (0,85 x 0,60) ergibt sich für die Eingangsleistung, die vom IC benötigt wird, und die die Batterie aufbringen muss, ein Wert von 2 W.

Wie man die Energie des Kondensators aufrecht erhält

Eine ideale Lösung erhält die Energie des Kondensators aufrecht, anstatt sie zu dissipieren. Eine Lösung wäre hier die Verwendung eines Class-D-Verstärkers anstatt eines Class-AB-Verstärkers. Auf diese Weise werden die Verstärkerverluste minimiert, aber die Verluste des Aufwärtswandlers bleiben bestehen. Außerdem erfordert eine Class-D-Verstärkerlösung einen komplizierten, unhandlichen Ausgangsfilter, der weitere Verluste verursacht.

Bild 4: Regenerative Boost-Wandler-Lösung
Bild 4: Regenerative Boost-Wandler-Lösung
(Bild: Maxim)

Weiterhin können die Verstärkung und die Boost-Funktion in einem Schaltkreis kombiniert werden (Bild 4). Dabei ist die Signalform der Hochspannung mit 200 Hz im Vergleich zur Taktfrequenz des Aufwärtswandlers (ca. 500 kHz) sehr langsam, weshalb der Schaltregler ein langsam variierendes Ausgangssignal aufweist. Bild 4 zeigt auch die Signalform von Spannung und Strom und die Amplitude der Haptik einschließlich der Vorzeichen und Phasenbeziehung.

Während der positiven Halbwellenperiode lädt der Induktionsstrom den Kondensator (Piezoelement) auf. Während der negativen Halbwelle wird der Strom über den gleichrichtenden MOSFET-Transistor T1 zum Eingangskondensator zurückgeführt, wobei der Strom in Sperrrichtung fließt (falls ON). Das Resultat ist ein Energie-Recycling-System, das praktisch keine Verluste aufweist – mit Ausnahme derer, die mit den Schaltverlusten und dem endlichen RDS(ON) der MOSFET-Transistoren zusammenhängen.

Beim Controller-IC handelt es sich um ein kostengünstiges Niederspannungsbauteil. Nur die externen MOSFETs und die passiven Bauteile haben eine hohe Spannung. Der Kondensator CHV realisiert die notwendige Pegelumsetzung zwischen dem Niederspannungstreiber und dem Gate des Hochspannungs-MOSFETs.

Hocheffizienter Treiber für piezohaptische Aktoren

Der MAX77501 ist ein hocheffizienter Treiber für piezobasierte Haptik-Aktoren, der für die Ansteuerung der 2-μF-Piezoelemente optimiert wurde. Er kann für die Haptik eine massebezogene Signalform mit einer Amplitude von bis zu 110 VP-P aus einer Eingangsspannungsversorgung von 2,8 V bis 5,5 V bzw. einer einzelligen Li+-Batterie erzeugen. Zudem unterstützt er die Speicherwiedergabe (RAM) und das (FIFO-) Echtzeit-Streaming der Haptiksignalformen. Eine 25-MHz-SPI-Schnittstelle erlaubt den vollen Zugriff auf das System und die Steuerung einschließlich Fehlerrückmeldung und -überwachung. Dies ermöglicht eine schnelle Wiedergabe innerhalb von 600 μs nach dem Abschalten.

Der On-Board-Speicher kann für mehrere Signalformen als Speicher oder als FIFO-Puffer dynamisch zugewiesen werden. Der IC ermöglicht für den Haptikaktortreiber eine Boost-Architektur mit kleinstem Leistungsbedarf. Die integrierte Unterspannungsüberwachung (UVLO), eine in jedem Zyklus wirksame (Cycle-by-Cycle-) Strombegrenzung sowie der Schutz vor Überspannung und thermischer Abschaltung gewährleisten einen sicheren Betrieb unter anormalen Betriebsbedingungen. Der IC ist in einem Wafer-Level-Package (WLP) mit 30 Bumps im 0,4-mm-Raster erhältlich.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 20/2020 (Download PDF)

Fazit: Piezoelektrische Aktoren sind Schlüsselelemente in modernen haptischen Sensorsystemen, die dem Anwender bei der Interaktion über elektronische Displays in batteriebetriebenen Handhelds oder Wear­ables ein taktiles Feedback geben. Typische piezohaptische Treiber sind komplex und energiehungrig. Die beschriebene Lösung zeigt eine typische Implementierung, bei der eine erhebliche Leistung im Class-AB-Verstärker für das Piezoelement und im Aufwärtswandler für die Hochspannungsversorgung benötigt wird. Bei der Alternative fungiert der Aufwärtswandler als Hochspannungsquelle und als Verstärker, der den Wechselstrom für das kapazitive Piezoelement liefert. Ist der Induktionsstrom des Aufwärtswandlers positiv, lädt er das kapazitive Piezoelement auf. Ist er negativ, wird die Energie an den Eingangskondensator zurückgeführt, wodurch ein Energieerhaltungsmechanismus entsteht, der Leistungsverluste minimiert und somit die Laufzeit des mobilen Geräts maximiert.

* Tim Dhuyvetter ist Leiter Technik in der Gruppe „Mobile Product“ bei Maxim Integrated in San Jose / USA.

* Dr. Nazzareno Rossetti ist Experte für Analogtechnik und Power-Management bei Maxim Integrated in San Jose / USA.

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