高速压电陶瓷驱动电源优点有哪些？

除去开关电源之外，压电陶瓷驱动电源已经成为了目前主流的电源技术之一。其在相应速度、分辨率、推力上都有着明显的优势。目前国内市场的压电陶瓷驱动电源大部分为静态，所以相对的动态特性便产生了一定的损失。

不过这并不影响压电陶瓷驱动电源在电源领域内的发挥。本篇文章就将为大家介绍高速压电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。

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

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 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。

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

通过分析可以看到，这种高速的压电陶瓷驱动电源克服了动态性能较差的问题，并且效率高、电压跟随性好，能够为基于冲击原理的压电陶瓷器件提供非常好的电路驱动效果。所以各位设计者们在专注于开关电源的研究时，不妨对压电陶瓷驱动电源也同样进行一下了解，或许会有意想不到的收获。