Trouver le bon circuit d'attaque piézoélectrique peut s'avérer fastidieux. Il existe de nombreuses architectures, tailles et puissances de sortie pour une vaste gamme d'applications, et tous les circuits d'attaque piézoélectriques n'utilisent pas la même technologie. Cet article explique ce qu'est un circuit d'attaque piézoélectrique et quelles sont les caractéristiques les mieux adaptées aux applications haptiques.
Les actionneurs piézoélectriques nécessitent des signaux à haute tension pour fonctionner. Les pilotes piézoélectriques sont des dispositifs qui remplissent deux fonctions principales : générer une alimentation haute tension et produire une tension de sortie variable dans le temps correspondant à la forme d'onde de déplacement attendue sur l'actionneur. La plupart des pilotes ne disposent que d'un seul canal de sortie et ne peuvent donc commander qu'un seul actionneur. Il convient de noter que la plupart des produits ne peuvent que piloter l'actionneur et ne sont pas en mesure de détecter sa tension lorsqu'il est actionné. Si une détection est nécessaire, il faut ajouter un circuit de détection.
Types de haut-parleurs piézoélectriques
Les haut-parleurs piézoélectriques se déclinent en différentes formes et tailles, mais il s'agit tous, pour l'essentiel, d'amplificateurs haute tension.
Les amplificateurs dotés d'un boîtier plus volumineux offrent une tension et une puissance de sortie plus élevées. Ils peuvent également proposer davantage de fonctionnalités et être plus faciles à utiliser. Cependant, ils sont davantage destinés aux essais en laboratoire et leur utilisation se limite à des produits de plus grande taille.
Les modules de commande piézoélectriques sont plus compacts et conçus pour être intégrés dans des systèmes. Bien qu'il soit possible d'en utiliser plusieurs dans un même système, ils occupent tout de même un espace physique important.
Il existe également des amplificateurs sous forme de circuits intégrés, qui occupent un encombrement minimal. Ils offrent un bon rendement énergétique, ce qui les rend parfaits pour les ordinateurs portables, les smartphones et les appareils fonctionnant sur batterie. Cependant, ils ne peuvent pas fournir une puissance de sortie aussi importante que les autres options, et sont donc réservés aux appareils de petite taille.
Sortie haute tension
Un actionneur piézoélectrique nécessite une tension différentielle élevée appliquée à ses deux extrémités pour se déformer et générer une vibration. Les actionneurs multicouches peuvent produire le même déplacement tout en nécessitant une tension moindre. Cette amélioration s'accompagne toutefois d'une capacité plus élevée. Le circuit d'attaque choisi doit être capable d'atteindre la fréquence et la tension souhaitées compte tenu de la capacité de l'actionneur.
Consommation d'Énergie
Dans tout système alimenté par batterie, la consommation est un facteur crucial et doit être réduite au minimum. Les circuits d'attaque à haute tension ont longtemps été associés à une consommation d'énergie plus élevée, ce qui était le cas pour l'architecture de circuit d'attaque disponible : un régulateur élévateur alimentant un amplificateur haute tension.
Le Le BOS1901 a été conçu pour offrir la meilleure efficacité énergétique possible dans le domaine des actionneurs piézoélectriques, grâce à la récupération d'énergie et à la réduction au minimum de toutes les sources de dissipation d'énergie. Lorsqu'il pilote une forme d'onde, sa consommation est environ dix fois inférieure à celle des ERM, des LRA et des autres pilotes piézoélectriques disponibles sur le marché.
Détection de pression
Les actionneurs piézoélectriques se déforment lorsqu'ils sont soumis à une variation de tension. Ils peuvent également générer une tension lorsque la force qui leur est appliquée varie. Par conséquent, ces actionneurs peuvent servir de capteurs et fournir un retour d'information.
En plus de générer une haute tension pour alimenter l'actionneur piézoélectrique, le BOS1901 Il s'agit actuellement du seul pilote capable de mesurer la tension différentielle aux deux extrémités de l'actionneur. Il intègre un convertisseur analogique-numérique (ADC) permettant des mesures très précises, ce qui rend possible des applications complexes telles que la détection de la vitesse de contact. La combinaison des fonctions de détection et de commande dans un seul produit permet de réduire considérablement l'encombrement, puisqu'un seul composant suffit pour les deux opérations, ce qui en fait la solution idéale pour une solution haptique tout-en-un destinée aux téléphones portables et autres appareils mobiles.
Plage de fréquences plus large
Un actionneur piézoélectrique, comparé à d'autres solutions haptiques traditionnelles telles que les ERM (masses rotatives excentriques) et les LRA (actionneurs résonants linéaires), peut exploiter une gamme de fréquences plus large grâce à sa latence de sortie quasi instantanée. Les ERM et les LRA souffrent en effet de l'impossibilité de modifier très rapidement la fréquence du mouvement de la masse, ce qui limite leur capacité à produire des effets haptiques détaillés.
La plupart des pilotes piézoélectriques à circuit intégré disponibles aujourd’hui sur le marché peuvent produire une fréquence de sortie comprise entre 20 et 300 Hz, ce qui est particulièrement intéressant pour les systèmes haptiques des téléphones portables. Ils peuvent être utilisés, par exemple, pour imiter une texture ou même reproduire la sensation d’une pression sur un bouton. La fréquence maximale qu’un pilote peut produire dépend de la quantité d’énergie qu’il est capable de transférer de la source d’alimentation d’entrée vers l’étage de sortie. Plus la capacité de l'actionneur et la tension de sortie de crête sont élevées, plus la fréquence maximale est faible. L'utilisation du même pilote avec un actionneur plus petit peut permettre d'atteindre des fréquences plus élevées.
BOS1901 a été conçu pour des applications haptiques à faible consommation d'énergie, en tenant compte de cette fréquence de 300 Hz. Cependant, la fréquence d'échantillonnage peut être réglée. Ainsi, pour les actionneurs moins capacitifs, il est possible d'atteindre des fréquences plus élevées si nécessaire.
Formes d'onde illimitées
Un autre avantage de l'utilisation d'un actionneur piézoélectrique réside dans sa capacité à produire n'importe quelle forme d'onde (sinusoïdale, carrée, triangulaire, etc.). Les ERM, qui sont entraînés par un moteur, sont beaucoup plus limités quant aux types de formes d'onde qu'ils peuvent produire, car l'accélération de la masse sera toujours une onde sinusoïdale ; le résultat se compose donc souvent d'une combinaison de périodes d'accélération et de repos. Les LRA utilisent des solénoïdes pour le déplacement de la masse ; ils permettent un meilleur contrôle de la forme d'onde de sortie, comme la modulation d'amplitude, mais pour maximiser leurs vibrations, ils fonctionnent uniquement avec des ondes sinusoïdales à la fréquence de résonance, qui est fixe mais peut varier en fonction des conditions de fonctionnement, ce qui nécessite un circuit d'accord pour le pilote. Ils ne sont pas capables de produire des formes d'onde aussi précises que les actionneurs piézoélectriques.
Pour générer n'importe quelle forme d'onde et ainsi produire des effets haptiques très précis tout en limitant la consommation d'énergie, un actionneur piézoélectrique doit être piloté à une fréquence bien éloignée de sa fréquence de résonance naturelle. Par conséquent, les actionneurs piézoélectriques sont plus faciles à piloter, car le circuit de commande ne nécessite pas de suivi de fréquence.
Le BOS1901 permet de générer facilement des formes d'onde via son interface SPI. Les points de données sont transmis numériquement au pilote, qui effectue automatiquement la conversion des données et les réglages d'amplitude en interne.
Un faible niveau sonore est nécessaire pour créer des effets haptiques raffinés
La faible latence des actionneurs piézoélectriques les rend plus sensibles au bruit présent dans le signal de commande. Tout bruit présent dans le signal se traduira par un bruit dans le profil de déplacement de l'actionneur. La plupart des pilotes piézoélectriques utilisent un convertisseur élévateur pour générer une tension élevée destinée à alimenter l'amplificateur qui produit la sortie différentielle, ce qui les rend susceptibles de générer un signal déformé, réduisant ainsi la précision et la finesse des effets haptiques.
Le BOS1901 a été entièrement conçu pour piloter des actionneurs piézoélectriques, dans le but précis de réduire au minimum la distorsion, quel que soit l'environnement ou l'application. Il génère des formes d'onde présentant un taux de distorsion harmonique total (THD) et de bruit (N) inférieur à 0,4 %, tout en offrant un excellent rendement énergétique.
Sortie différentielle vs sortie asymétrique
La plupart des pilotes piézoélectriques disposent d'une sortie différentielle. On obtient une amplitude de tension maximale en commandant chaque sortie tour à tour. Il s'agit de la méthode privilégiée pour piloter des actionneurs, car elle permet une plage de déplacement plus large pour les actionneurs bidirectionnels tels que les cintreuses. Avec cette configuration, le BOS1901 est capable à la fois de commander et de détecter l'actionneur.
BOS1901 Il existe également une autre configuration, dite « asymétrique ». Cette configuration permet de connecter deux actionneurs à un seul pilote et de les multiplexer dans le temps. Lorsque la détection n'est pas nécessaire, cette configuration contribue à réduire considérablement la nomenclature du système.
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