触觉能耗
摘要
许多电子产品必须与用户或操作员进行交互才能进行通信。在过去 40 年里，电子产品的主要通信方式是听觉和视觉反馈，它们的主要通信语言是声音和光线。今天，触觉反馈已成为电子产品与使用触觉的人类沟通的另一种方式。触觉反馈可用于消费类、工业类和汽车类应用，如智能电话、平板电脑、鼠标、ATM 机和汽车信息娱乐系统。
智能电话、智能手表和健身追踪器都是可以使用触觉反馈的电池供电便携系统。许多工程师可能会担心电池关键型应用中触觉反馈的能耗问题。DRV260x、DRV262x ERM/LRA 驱动器系列和 DRV2667 压电式驱动器不仅可以增强用户的触觉体验，同时还能尽可能地降低能耗。
本文档介绍了三种传动器技术和测量能耗的方法，并对每种传动器进行了比较。
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1 引言
触觉通过使用振动模拟特定活动、表面和效果提供机械反馈。它可以通过改变振动的频率、幅度、时长和方向来模拟不同的表面和效果。
图 1-1 展示了三种类型的传动器，偏心旋转质量 (ERM)、线性共振传动器 (LRA) 和压电式传动器。
图 1-1 三种类型的传动器1.1 偏心旋转质量
ERM 是一种存在偏心质量的直流电机，通过旋转产生振动。当 ERM 旋转时，偏心质量会产生向心力；这种向心力会使电机产生位移。人们将这种位移视为振动。ERM 由于旋转力而产生振动，所以会在两个轴（X、Y 或 Z 轴）上存在加速度。这在某些应用中会在意外的轴上形成损耗。
优势：
- 易于驱动
- 低成本
- 形状灵活（柱状或硬币）
劣势：
- 响应慢
- 加速度与角频率相关 (ERM)
- 高能耗
1.2 线性共振传动器
LRA 是一种以线性运动方式振动的弹簧质量块系统。在内部，有一个弹簧悬挂的线圈，当施加电压时，线圈会产生磁场。线圈与磁铁和质量块互动，当磁场随着施加的驱动信号而变化时，磁铁和质量块会上下移动，产生力量。这种运动被称为振动。
因为弹簧常数，明显的振动只会发生在共振频率时。线性传动器必须在共振频率周围的窄带宽 (±2Hz) 内驱动，否则会导致加速度掉落（参阅图 1-2）。因为制造误差、元件老化、温度和机械装配，LRA 的确切共振频率不定。具有自动共振功能的 DRV260x 和 DRV262x 驱动程序可以检测共振频率，帮助提高加速性能。
图 1-2 LRA 共振频率漂移LRA 加速发生在一个轴上，因为它以上下运动的方式振动。LRA 的这种优势可以产生更大的振动强度，节约更多能量。
优势:
- 比 ERM 响应时间更短
- 加速度更大
- 效率更高
劣势：
- 共振频率漂移会降低加速度
- 难以驱动
1.3 压电式传动器
压电材料是一种在施加电压后会发生变形（动）的材料。压电式触觉传动器能够精确驱动高清触觉，与 ERM 和 LRA 相比，启动时间更短、驱动电压带宽更宽、可闻噪声更低且振动更强。
压电式传动器有两种类型：单层和多层。由于压电式传动器是容性负载，所以单层压电式传动器在移动同样距离时需要更高的电压。多层压电传动器所需的电压较低，但需要较高的电流。DRV2667 可以将压电式传动器驱动到高达 200Vpp。
压电式传动器在施加了电压后会进行振动，导致压电材料发生变形。材料变形会产生灵活移动，导致在某个方向的加速。总的来说，压电式传动器具备更大的加速度、更快的响应时间以及更低的功耗。
优势:
- 响应时间快
- 宽频带宽
- 加速度更大
- 效率更高
- 可闻噪声更低
- 有多种形状和尺寸可选。
- 灵活的安装选项
劣势：
- 需要更高电压驱动
- 与 LRA 和 ERM 相比更昂贵
表 1-1 展示了 ERM、LRA 和压电式传动器的对比。
| 属性 | ERM | LRA | 低层数压电式 | 多层数压电式 |
|---|---|---|---|---|
| 性能 | 良好 | 更好 | 最好 | 最好 |
| 加速度 (g) | ~1 | 约 1-2 | 约 3-5 | 约 3-5 |
| 可闻噪声 | 噪声很大 | 中等噪声 | 无噪声 | 无噪声 |
| 响应时间 | 约 50ms | 约 30ms | 0.5ms | 0.5ms |
| 能耗 | 高 | 低 | 较低 | 较低 |
| 高清触觉 | 无 | 无 | 有 | 有 |
| 成本 | $ | $$ | $$ | $$$ |
2 如何测量能量
在本文档中，我们评估了 AAC 1036C LRA、Sanyo NRS2574I ERM 和 SEMCO PHAT423535XX 压电式模块。所有图片都取自 DRV2604EVM-CT 和 DRV2667EVM-CT。在 DRV260x 和 DRV262x 驱动器系列之间，产生的能耗没有显著的差别。以下是示波器通道的图例：
C1：OUT+ 波
C2：OUT– 波
数学：C1-C2 波
C3：加速度
C4：平均电流
能耗对于便携应用非常重要，尤其是对于智能手表、手环和健身追踪器等可穿戴产品。本节说明了每种传动器能耗的测量方法，并对它们的能量优势进行了比较。
可以通过三种方法来测量触觉能量：
- 电流消耗
- 能耗
- 电流和加速度
以下各节将分别介绍这些不同的方法：
2.1 电流消耗
本节比较 ERM、LRA 和压电式传动器的平均电流消耗。在比较每个传动器的异步电流消耗时，这是很有用的。它也可以显示电池供电产品的最大点击次数。
图 2-1 点击电流消耗测量数据图 2-1 显示 ERM、LRA 和压电式传动器的点击波形。波形的平均电流测量数据显示了每种传动器的能耗。将峰值加速度常数保持在 0.9g，ERM 耗用了 124mA，LRA 耗用了 51.3mA，而压电式传动器耗用了 62.6mA。
对于 1200mAh 电池，我们可以使用电流耗用来计算最大点击次数。使用表 2-1 中的 ERM 值来计算一个示例：
| 点击 | 平均电流（mA/点击） | 时间窗口 (ms) | 最大加速度 (g) | 最大点击次数（1200mAh 电池） |
|---|---|---|---|---|
| ERM | 124 | 50 | 0.868 | 696774 |
| LRA | 52.6 | 40 | 0.956 | 2053232 |
| 压电式 | 62.6 | 19.61 | 0.921 | 3570076 |
结论
- 比较 ERM 与 LRA 时发现，LRA 在同样的加速度下消耗的电流是 ERM 的一半。
- 压电式点击的电流消耗与 LRA 点击接近，但低于 ERM 点击的消耗。
- 对于压电式，最大点击数比 ERM 多 5 次。至于 LRA，最大点击数比 ERM 多 3 倍。
2.2 能耗
本节介绍每个触觉活动的能耗。点击、蜂鸣和提醒的能耗可以用 µA-小时和 mA-小时为单位来衡量。
对于图 2-1 中的 ERM，点击持续时间是 50ms。ERM 点击的能耗可以使用以下等式计算：
使用之前的等式，LRA 点击的能耗是 0.57µAh，而对于压电式，能耗为 0.34µAh。| 单击 | VDD (V) | 平均电流 (mA) | 时间窗口 (ms) | 能量（μAh/点击） |
|---|---|---|---|---|
| ERM | 5 | 124 | 50 | 1.72 |
| LRA | 5 | 52.6 | 40 | 0.58 |
| 压电式 | 5 | 62.6 | 19.61 | 0.34 |
结论
- 与 ERM 相比，LRA 每次点击可节约 67% 的能量。LRA 具有较佳效率，且在电池寿命方面对应用程序更好。
- 压电式响应时间短，可创建较短的效果。压电式点击的短持续时间和短响应时间可帮助节约能量。
2.3 电流和加速度
这是另一个参数，测量的是电流与加速度的比率。它显示哪种传动器可以提供较佳加速度但消耗更少的电流。此方法用于一种连续且稳定的加速效果。
图 2-2 蜂鸣能耗测量图 2-2 展示蜂鸣效果期间 ERM、LRA 和压电式传动器的能耗。蜂鸣波形是一种具有持续加速的连续波形。通过“mA/g”这种新的能量指标，即每加速单位的电流，比较这些传动器的不同加速力。此指标标准化了每加速单位的电流。
| 蜂鸣 | 平均电流 (mA) | 加速度 (g) | 能量 (mA/g) |
|---|---|---|---|
| ERM | 58.3 | 0.91 | 62.1 |
| LRA | 52.2 | 1.63 | 32.0 |
| 压电式 | 67.4 | 0.93 | 72.4 |
结论
- LRA 每 g 耗用的电流最少，这意味它是持续时间长的效果的较佳传动器。
- ERM 和压电式传动器在长时效果中每 g 耗用的电流相同。
请参阅Topic Link Label5，了解在更多种传动器上测试出的点击能耗。数据是在 DRV2603EVM-CT 上评估所得。但是，在 DRV2604EVM-CT 上测试时，并没有显著差别，因此仍然能够同时代表 DRV260x 和 DRV262x 驱动器系列。
3 ERM、LRA 和压电式传动器的能耗比较
在本节中，我们汇总了采用不同类型触觉效果的 ERM、LRA 和压电式传动器的更多能耗数据。
| 压电式 | LRA | ERM | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 效果 | 时长 (ms) | 能耗 (μAh) | 加速度 (g) | 时长 (ms) | 能耗 (μAh) | 加速度 (g) | 时长 (ms) | 能耗 (μAh) | 加速度 (g) |
| 碰撞 | 13.3 | 0.31 | 0.96 | 40 | 0.30 | 0.93 | 39 | 1.14 | 0.89 |
| 点击 | 19.61 | 0.34 | 0.921 | 51.3 | 0.57 | 0.903 | 50 | 1.72 | 0.90 |
| 脉冲 | 48 | 0.90 | 0.91 | 91 | 0.68 | 0.95 | 94 | 1.72 | 0.92 |
| 通知 | 60 | 1.18 | 0.92 | 75 | 0.47 | 0.91 | 78.70 | 2.00 | 0.96 |
| 蜂鸣 | 609 | 11.4 | 0.90 | 752 | 3.38 | 1.00 | 609 | 11.41 | 0.93 |
图 3-1 将此数据转换为一个柱状图：
图 3-1 压电式、LRA 和 ERM 传动器的能耗- 与其他传动器相比，压电式传动器在短时效果上耗用的能量最少
- 在播放持续加速的更长效果时，压电式耗用的能量与 ERM 等量
- 与 ERM 相比，LRA 可以节省 60%-80% 的能量
该传动器加载了一个 100g 的金属质量块来模拟智能手机。Topic Link Label6附录 B 展示了测试条件，附录 C 展示了如何使用表 3-2 中的效果数据，来为智能手机计算每种场景的结果。
| 能耗 (uAh) | |||
|---|---|---|---|
| 用量 | 压电式 | LRA | ERM |
| 手机拨打（1 次） | 140.2 | 46.31 | 154.22 |
| 15 次 | 2103 | 694.62 | 2313.54 |
| 短信（1 次） | 72.74 | 115.87 | 352.40 |
| 15 次 | 1091.04 | 1737.96 | 5286 |
| 回复电子邮件 | 106.74 | 172.86 | 524.6 |
| 5 次 | 533.68 | 864.32 | 2623 |
| 提醒（1 次） | 125.84 | 38.5 | 134.18 |
| 10 次 | 1258.4 | 385 | 1341.8 |
| 游戏 - 60 分钟 | 2628 | 2235.40 | 6979.30 |
| 社交媒体 60 分钟 | 2624.69 | 2242.46 | 7087.40 |
| 待机 | 240 | 45.6 | 45.6 |
| 总计 | 15204.41 | 11744.05 | 36760.8 |
| 总量/1200 mAh 电池 (%) | 1.267 | 0.979 | 3.06 |
很明显，LRA 和压电式对于便携式应用具有更大的能量优势。对于智能手机应用程序，ERM 耗用的能量几乎比 LRA 和压电式多两倍。智能手表的电池通常更小，所以触觉的总能耗比例更大。在本例中，TI 触觉解决方案的能源节省更加显著。
4 DRV260x 和 DRV262x 驱动器的能耗优势
DRV260x 和 DRV262x 驱动器是一系列适用于 ERM 和 LRA 传动器的触觉驱动器。它们包含许多功能，可帮助减少 LRA 传动器的能耗。一个重要的功能就是自动共振跟踪引擎。自动共振会实时跟踪 LRA 的共振频率。如果共振频率出于任何原因从波形中间偏移，引擎会逐周期地跟踪该频率，以尽可能提高传动器加速度。通过在共振频率下振动，驱动器每“g”加速度需要的能量更少，可实现即时节能。
图 4-1 自动共振打开/关闭时的蜂鸣波形| 加速度 (g) | 启动时间 (ms) | 停止时间 (ms) | f (Hz) | 能量 (mA/g) | |
|---|---|---|---|---|---|
| 共振打开 | 1.64 | 56.0 | 14.5 | 175 | 28.4 |
| 共振关闭 | 1.00 | 51.7 | 71.6 | 185 | 51.8 |
表 4-1 显示在自动共振开启时，加速度更大且功耗更低。自动共振打开时，DRV2605 随着不断变化的 LRA 共振频率（以 175Hz 为中心）进行调整。但是，在自动共振关闭时，驱动器不再跟踪频率。所以在自动共振打开时，可以实现更大的加速度。所有 DRV260x 和 DRV262x 器件具有同样的结果。
自动共振还能提高传动器的启动速度和停止速度。
图 4-2 启动速度
图 4-3 停止速度表 4-1 显示自动共振打开时启动时间更长；但这是因为自动共振而产生更高加速度的结果。自动共振引擎可帮助传动器更快地启动和停止，在更少的时间内实现同样的加速度，正如图 4-2 和图 4-3 所示。在表 4-1 中，当自动共振打开时，传动器只需要多一点时间就可以产生更大的加速力。
5 附录 A 传动器能耗
表 5-1 显示了 AAC、SEMCO、Copal、AWA 和 Sanyo 等不同制造商生产的多种传动器的能耗。
| 传动器 | 时长 (ms) | 加速度 (g) | 满量程点击（µAh/点击） |
|---|---|---|---|
| LRA – AAC ELV1411 | 50 | 0.941 | 0.680 |
| LRA – Partron（矩形） | 50 | 0.466 | 0.531 |
| LRA – Partron（圆形） | 50 | 0.557 | 0.458 |
| LRA – LG Innotek | 50 | 1.32 | 0.412 |
| LRA – AAC ELV1036A | 50 | 0.914 | 0.541 |
| LRA – SEMCO 1030 | 50 | 0.846 | 0.521 |
| LRA – SEMCO 1036 | 50 | 0.795 | 0.414 |
| LRA – Copal AA7 | 45 | 0.631 | 0.633 |
| ERM – Sanyo NRS2574I | 45 | 1.103 | 1.819 |
| ERM – Sanyo BMR3565 | 45 | 0.541 | 1.284 |
| ERM – AWA GS-2717 | 45 | 0.580 | 0.718 |
| ERM – Sanyo BNK3266 | 45 | 0.550 | 1.342 |
| 压电式 – SEMCO | 16.5 | 0.904 | 0.782 |
| 压电式 – AAC | 16.5 | 0.543 | 0.680 |
6 附录 B. 测试设置图片
图 6-1 展示了一个触觉能耗测试设置。
图 6-1 测试设置图示7 附录 C. 智能手机场景的能耗计算
本节展示如何使用图 3-1 的数据计算智能手机场景的能耗。
- 每天打出 15 次电话
- 拨电话号码：假定用户每次打电话拨 10 个数字。共有 150 次点击。
- 接听电话：假定接听的每通电话有 12 次蜂鸣，每 2 次蜂鸣伴随一次响铃。共有 180 次蜂鸣效果。
- 每天发出 15 条短信
- 编写一条短信：假定每条短信 40 个字，每个字包含 5 个字符。共有 3000 次点击。
- 接收短信：假定每次收到短信时收到 4 声通知。共有 60 次通知。
- 一天发 5 次电子邮件
- 回复电子邮件：假定每封电子邮件 60 个字，每个字包括 5 个字符。共有 1500 次点击。
- 接收电子邮件：假定每次收到文本邮件有 4 声通知。共有 20 声提醒。
- 每天提醒 10 次
假定每次提醒由 10 次通知和 10 次蜂鸣组成。 - 每天打游戏 60 分钟
不同的游戏具有不同的效果，所以假定它们在 10 分钟内都包括以下效果，并且每天玩一小时。- 碰撞：100 次
- 点击：500 次
- 脉冲：200 次
- 通知：150 次
- 蜂鸣：20 次
- 每天使用社交媒体 60 分钟
假定在 10 分钟内有以下效果，然后插入数据 60 分钟。- 碰撞：70 次
- 点击：400 次
- 脉冲：80 次
- 通知：60 次
- 蜂鸣：12 次
- 每天另有 60 分钟，包括搜索、上网、新闻、时钟
假定有以下效果，且用户在这些活动上一共耗用了一小时时间。- 碰撞：720 次
- 点击：2400 次
- 脉冲：360 次
- 通知：312 次
- 蜂鸣：78 次
待机能耗
DRV260x 驱动器的典型待机电流为 1.9µA，而 DRV262x 驱动器的典型值为 1.55µA，DRV2667（压电式驱动器）待机电流为 10µA。对于 DRV260x 或 DRV262x，ERM 和 LRA 驱动器一天的能耗分别是 45.6µAh 或 37.2µAh，而压电式驱动器是 240µAh。
