解析高速压电陶瓷驱动电源的性能优势

　　众所周知，压电陶瓷的驱动电源技术已成为非常重要应用技术之一，它除了体积小，分辨率高，响应快，推力大等一系列特点，同时，用它制成的压电陶瓷驱动器广泛应用于微位移输出装置、力发生装置、机器人、冲击电机、光学扫描等重要领域。目前，国内常见的压电陶瓷器件主要基于静态特性，因此该类压电陶瓷驱动电源动态特性不理想，交流负载能力差，不适合应用于动态领域。例如，压电陶瓷管冲击马达，是基于冲击原理，利用锯齿波驱动压电陶瓷管，使得压电马达产生正反的旋转，频响范围宽及具有很高上升和下降速率是该类压电陶瓷驱动电源必须满足的重要动态特性。但现在国内对此种驱动电源的研究不多，且价格昂贵，因此有必要设计一种满足上述要求且价格低廉的压电陶瓷驱动电源。

　　1、高压驱动电源原理及电路设计

　　该高压驱动电源主要由高压直流电源、恒流源及功率放大电路三部分组成。功率放大电路部分将锯齿波信号放大，以此驱动压电陶瓷管。为了得到快速的电压下降速率，使压电陶瓷管形成冲击，则需使用恒流源帮助容性负载的压电陶瓷快速泄放电荷。

　　（1）高压直流电源

　　高压直流电源部分如图1所示，工频220V交流电经变压器输出双130V交流，经整流桥整流和电容滤波后，得到180V直流电，作为驱动电路的工作电压。

图1 高压直流电源

　　（2）恒流源电路

　　恒流源电路如图2所示，本设计电路的运放选择OP467，其上升速率可达到170V/μs，且具有极宽的响应频率，完全能满足要求。当A点的输入电压为VA时，根据虚短原则，VA=VB，放大器同向输入端与反向输入端的输入电流均为0，则VB=VC，所以流经场效应管的电流恒为I=VA/R3，此时VGS≥3.5V，场效应管导通。假若输入电压VA有电压波动+△V，放大器的差模增益接近无穷大，所以VG增大，VGS增大，流经场效应管的电流增大，则VC增加；又因VB=VC，故VB也增大，且最终与VA相等，保证恒流源正常工作，反之当△V为负时，同理。此恒流源电路的电流I=50mA，即电压VA=7.5V，此恒流源电路的目的主要是帮助容性负载压电陶瓷泄放电荷，使驱动压电陶瓷管的锯齿波具有快速的下降速率，当与功率放大电路连接时，将恒流源场效应管的漏极与图3功率放大电路的D点连接在一起。

图2 恒流源电路图

　　（3）功率放大电路

　　功率放大电路如图3所示，该部分电路的运放也选择OP467，这样可以保证两部分电路在速度上匹配。功率放大级选用场效应管IRF840，它具有电流负载能力大，开关速度快（纳秒级）的特点，因此适合驱动容性负载。此功率放大电路中含有一个悬浮地（即图3中的点D），恒流源电路运放的供电电压经过DC/DC转换模块后，将功率放大电路的运放参考点与地分开。

图3 功率放大电路

　　当电路工作在线性区域内时，若输入信号Uin的电压范围为-10～0V，则与F点的电压相等，在通道DF上产生电流，R6与R7为分压电阻，R6与R7的比例决定了放大电压的倍数，则驱动压电陶瓷的电压Uout= （Uin/R6）（R6+R7）。由于电流I恒定不变，故R6与R7阻值不能过小，以保证其具有足够的电流负载能力来驱动压电陶瓷。

　　2、设计结果

　　该设计的输入信号幅值范围为-10～0V，输出范围为0～350V，泄放电流为50mA。实验测试时，以容性负载230×（1±0.1）pF为标准，在100Hz～100kHz的频率范围内，当以VPP=6V偏置为-3V的方波信号输入时，测得其不同的放大倍数与频率的关系如图4所示。可以看出，在60kHz以后，波形已经严重失真，所以应避免在高于60kHz的情况下使用高压电源驱动器。

图4 频率与放大倍数的关系

　　在不加负载，而以VPP=6V，偏置为-3V，f=50kHz的方波输入时，电源输出结果如图5所示。图5中，输出方波为示波器衰减10倍的波形。由此可知，输出的方波峰峰值为240V，且上升速率高于下降速率。由图5所示数据可计算出下降速率约为48V/μs，上升速率约为80V/μs，这相对于其他动态压电陶瓷驱动电源具有明显的优势，该参数已能够满足压电陶瓷管冲击电机定子形成扭转所需要的条件。

图5 高燕电源输出方波图

　　如此看来，这种高速压电陶瓷驱动电源在动态性能上较其他电路有明显优势，它的工作频率高，电压跟随性好，结构简单，价格低廉，并且对一些需要利用冲击原理的压电陶瓷器件可以提供很好的驱动效果。