CN101043186B

CN101043186B - 一种动态压电或电致伸缩陶瓷驱动电源

Info

Publication number: CN101043186B
Application number: CN2006100545812A
Authority: CN
Inventors: 王代华; 丁文明
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: CN101043186A

Abstract

本发明涉及一种压电陶瓷的驱动电源，它包括RS232接口电路、数字信号处理器(DSP)、键盘及显示接口电路、高压稳压电路、高压放大电路和驱动电路等。RS232接口电路和键盘及显示电路的输出端分别接数字信号处理器的输入端，模数转换电路的输入端控制电压信号，输出端接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器的输出端接数模转换电路的输入端，数模转换电路的输出端接高压放大电路的输入端，高压放大电路的输出端接功率驱动电路的输入端，功率驱动电路的输出端接压电或电致伸缩陶瓷L的正极，负极接低电压端LV。本发明采用数字信号处理器作为核心，驱动电路采用多组MOS管对并联构成，峰值电流、功率大，电路具有动态响应好、可靠性高、零漂小、精度高、调节方便等特点。

Description

一种动态压电或电致伸缩陶瓷驱动电源

技术领域

本发明涉及压电陶瓷及电致伸缩陶瓷的驱动电源电路，特别是压电陶瓷和电致伸缩陶瓷的动态驱动技术。

背景技术

压电陶瓷微位移器是新型的微位移器件，在精密定位、微机电系统、纳米制造技术、纳米生物工程等领域中得到了广泛的应用。压电陶瓷的驱动离不开压电陶瓷驱动电源，压电陶瓷等效于容性负载，而单个压电陶瓷的位移量很小，所以，在实际应用中，常使用多个压电陶瓷按一定的方式组合而成压电陶瓷堆。这样，压电陶瓷的电容就会更大，如我们从电子工业部26所购买的压电陶瓷微位移器的电容量达4.7UF。对于强容性负载，提高压电陶瓷的驱动器的动态性能，必须提高压电陶瓷的峰值电流。而电压的驱动电压范围很大，电路需要的耗散的功率很高，而过去的压电陶瓷驱动器的设计更多的注重于静态性能，驱动器提供的峰值电流、峰值的功率不够，导致驱动器的频率响应不高，限制了压电陶瓷微位移在复杂控制、高速实时场合的应用。

发明内容

本发明为了解决以上问题，在高压放大电路的驱动极进行了特别的设计，采用了多组MOS管组驱动和高压运算放大器相结合的方法，提高了压电陶瓷驱动器的充放电电流，并给出了一种可靠性高，动、静态性能良好的压电或电致伸缩陶瓷驱动电源电路。

本压电陶瓷或电致伸缩驱动电源电路包括数字信号处理器、RS232接口电路、键盘及显示电路、控制电压输入电路、模数转换电路、数模转换电路、高压放大电路。RS232接口电路和键盘及显示电路的输出端分别接数字信号处理器的输入端，模数转换电路的输入端控制电压信号，输出端接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器的输出端接模数转换电路的输入端，模数转换电路的输出端接高压放大电路的输入端，高压放大电路的输出端接压电或电致伸缩陶瓷L的正极，负极接低电压端LV。

上述的高压放大电路由集成的高压运算放大器U1和采样电阻R2、R3组成，R2的一端接地，另一端接电阻R3的一端。R3的另一端接压电陶瓷L的正极。高压放大电路6的输出端接功率驱动电路的输出端，同时，输出端接压电或电致伸缩陶瓷L的正极。

所述的功率驱动电路由如下两种形式：第一种驱动电路由PMOS管替换电路和多组NMOS的场效益管对组成，每一组的场效应管由PMOS管替换电路、过流保护电路、NMOS管驱动电路组成，单组的NMOS管驱动电路由M2、M3、R7、R8、R11、R9组成。

驱动电路的另一种形式是由多组的场效应管构成，单组的MOS管包括M8、M9、R23、R25、R26、R27、R24。

本电路实现的压电陶瓷驱动电源的特点是输出电压范围大，频率响应高、稳定性好、温漂小、控制方便。特别是可根据实际需要，改变功率驱动电路并联MOS管对的数目，提高电路充放电电流的能力和功率耗散的能力，从而提高电路的动态性能。

附图说明

图1为本发明实施实例1的电路结构示意图

图2为本发明实施实例2的驱动电路结构示意图

图3为本发明实施实例1的不同负载下的频率响应图

具体实施方式：

实施例1：如图1所示：压电陶瓷驱动电源电路包括数字信号处理器1、RS232接口电路2、键盘及显示接口电路3、控制电压输入电路4、模数转换电路4-1、数模转换电路5、高压放大电路6、功率驱动电路7。具体连接方式如下：计算机及RS232接口电路2的输出端接数字信号处理器1的输入端，键盘及显示接口电路3的输出端接数字信号处理器1的输入端，外接模拟输入信号4的输出端接模数转换电路4-1的输入端，模数转换电路4-1的输出端接数字信号处理器1的输入端，数字信号处理器1的输出端接数模转换电路5的输入端，数模转换电路5的输出端接高压放大电路6的输入端，高压放大电路6的输出端接功率驱动电路7的输入端，功率驱动电路7的输出端接压电陶瓷L的正极，压电陶瓷L负极接负电压端LV。

高压放大电路6由集成的高压运算放大器U1和采样电阻R2、R3组成，R2的一端接地，另一端接电阻R3的一端。R3的另一端接压电陶瓷L的正极。高压放大电路6的输出端接功率驱动电路7的输入端，功率驱动电路7的输出端接压电陶瓷L的正极。

功率驱动电路7由3路的场效益管对组成它由PMOS管替换电路7-1、过流保护电路7-2、NMOS管驱动电路7-3组成，其中PMOS管替换电路7-1，PMOS管M1的栅极接电阻R4的一端，R4的另一端接高压运算放大器U1的输出端，M1的源极接电阻R5的一端，R5的另一端接电压放大电路的输出端，M1的漏极接电阻R6和R8公共端，R6的另一端接地。单组的NMOS管驱动电路7-3由M2、M3、R7、R8、R11、R9组成，连接关系是M2的漏极接高电压端HV，栅极接电阻R7的一端，源极接电阻R9的一端，电阻R7的一端接高压运算放大器U1的输出端，R9的另一端接电阻R10的一端，R10接M3的漏极，R9同时接电阻R5和压电陶瓷L的正极，M3的栅极接电阻R8的一端，源极接电阻R11的一端，R11的另一端接低电压端。过流保护电路7-2由T1、T2、D1、D2、R9、R10组成，T1的基极接电阻R9的一端，发射极接电阻R9的另一端，集电极接二极管D1的负极，D1的正极接高压运算放大器U1的输出端，T2的基极接电阻R10的一端，发射极接R10的另一端，集电极接D2的一端，D2的另一端接高压运算放大器U1的输出端。另外两组的场效益管对的结构与7-2、7-3类似，它们的公共端是R9、R13、R18、R10、R14、R20、压电陶瓷L的正端的公共点。

由于超过300V大功率封装P型MOS管比较少见，电路采用了准互补对称的功率输出级，电路中只用了一个PMOS管，其功率要求很小，其余的场效益管都是大功率的NMOS管，这样，压电陶瓷的电源电压输出范围可达数百伏。同时，由于传统的单组的场效益管对所能传递的功率最高仅有100W左右，且单个场效益管上的功耗过大，其散热会是一个很大的问题，因而采用多组的场效益管对并联驱动压电陶瓷，在每一个场效益管上安装散热器，这样，电路峰值的输出功率最高可达数百瓦(而国内的压电陶瓷驱动电源的输出功率一般都小于100W)，相应的，驱动容性负载时的峰值电流、动态性能可以得到成倍的提高，从而满足压电陶瓷在高速、实时场合下的应用。用高压运算放大器作为放大电路的核心，其线性度好、精度高，且不容易产生自激振荡、可靠性高。

所示的压电陶瓷驱动电源，采用的高压的集成运放作为放大电路的核心，采用三组NMOS管对作为功率输出级，高电压端HV接+210V，低电压端LV接-10V，则每一组场效益管传递的峰值电流为0.25A，则每一个的场效益管所消耗的峰值功耗最高为55W，电容总的充放电的电流为0.75A，则总的峰值功耗近170W，驱动负载电容为4.7UF的压电陶瓷，峰峰值为200V，3DB衰减频率响应可达200HZ，从0V到150V的阶跃响应，响应时间不到1ms。电路的放大倍数为40倍。附图3为本发明实施实例1的不同负载下的频率响应图。

数字信号处理器作为压电陶瓷驱动电源的核心可以更方便的利用数字技术产生压电陶瓷实际应用中(如光扫描器)所需要的各种波形，如三角波、方波、正旋波等波形。同时数字信号处理器处理能力强、实时性好，非常适合压电陶瓷在高速、复杂控制场合下的应用。

实施例2：例2与例1的区别在于驱动电路不同，实施例2的驱动电路如图2所示，功率驱动电路7有三组的场效应管构成，单组的MOS管7-1包括M8、M9、R23、R25、R26、R27、R24，具体连接关系是M8的栅极接R23的一端，R23的另一端接高压运算放大器U1的输出端，M8的漏极接高电压端HV，M8的源极接电阻R25的一端和T7基极的公共点，R25的另一端接R26的一端，同时接R22的一端，R26的另一端接M9的源极，M9的栅极接R24的一端，R24的另一端接高压运算放大器U1的输出端，M3的漏极接电阻R27的一端，R27的另一端接低电压端LV。另外的两组驱动场效益管对与此类似，它们的公共端是R25、R29、R34、R26、R30、R35、压电陶瓷L正端的公共点。实施例2可以同样达到实施例1的效果，但是，必须要采用高压PMOS管。

Claims

1.一种动态压电或电致伸缩陶瓷驱动电源，其特征在于它包括数字信号处理器(1)、RS232接口电路(2)、键盘及显示电路(3)、控制电压输入电路(4)、模数转换电路(4-1)、数模转换电路(5)、高压放大电路(6)和功率驱动电路(7)，具体连接方式如下：RS232接口电路(2)和键盘及显示电路(3)的输出端分别接数字信号处理器(1)的输入端，模数转换电路(4-1)的输入端接控制电压输入电路(4)，输出端接数字信号处理器(1)的输入端，数字信号处理器(1)的输出端接数模转换电路(5)的输入端，数模转换电路(5)的输出端接高压放大电路(6)的输入端，高压放大电路(6)的输出端接功率驱动电路(7)的输入端，功率驱动电路(7)的输出端接压电或电致伸缩陶瓷的正极，压电或电致伸缩陶瓷的负极接低电压端LV；所述功率驱动电路(7)采用多组场效应管对并联来驱动压电陶瓷。

2.根据权利要求1所述的动态压电或电致伸缩陶瓷驱动电源，其特征在于：高压放大电路(6)由集成的高压运算放大器U1和采样电阻R2、R3组成，电阻R2的一端接地，另一端接电阻R3的一端；电阻R3的另一端接压电或电致伸缩陶瓷的正极；由高压运算放大器U1和功率驱动电路(7)组合驱动压电陶瓷。

3.根据权利要求2所述的动态压电或电致伸缩陶瓷驱动电源，其特征在于功率驱动电路(7)的任何一组中的任何一个支路都含有独立的过流保护电路。

4.根据权利要求1、2或3所述的动态压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述的功率驱动电路(7)由PMOS管替换电路(7-1)和多组NMOS的场效应管对组成；PMOS管替换电路(7-1)连接关系如下：PMOS管M1的栅极接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接高压运算放大器U1的输出端，PMOS管M1的源极接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接高压运算放大器U1的输出端，PMOS管M1的漏极接电阻R6和电阻R8公共端，电阻R6的另一端接地；每一组NMOS的场效应管对由过流保护电路(7-2)、NMOS管驱动电路(7-3)组成，单组的NMOS管驱动电路(7-3)由PMOS管M2、PMOS管M3、电阻R7、电阻R8、电阻R11、电阻R9组成，连接关系是PMOS管M2的漏极接高电压端HV，栅极接电阻R7的一端，源极接电阻R9的一端，电阻R7的一端接高压运算放大器U1的输出端，电阻R9的另一端接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接PMOS管M3的漏极，电阻R9同时接电阻R5和压电陶瓷的正极，PMOS管M3的栅极接电阻R8的一端，源极接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接低电压端LV；其余的场效应管对与此类似，它们的公共端是电阻R9、电阻R13、电阻R18、电阻R10、电阻R14、电阻R20、压电陶瓷正极的公共点。

5.根据权利要求1、2或3所述的动态压电陶瓷驱动电源，其特征在于功率驱动电路(7)由多组的互补对称场效应管对构成，其连接关系如下：单组的MOS管(7-1)包括PMOS管M8、PMOS管M9、电阻R23、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R24，具体连接关系是PMOS管M8的栅极接电阻R23的一端，电阻R23的另一端接高压运算放大器U1的输出端，PMOS管M8的漏极接高电压端HV，PMOS管M8的源极接电阻R25的一端和三极管T7基极的公共点，电阻R25的另一端接电阻R26的一端，同时接电阻R22的一端，电阻R26的另一端接PMOS管M9的源极，PMOS管M9的栅极接电阻R24的一端，电阻R24的另一端接高压运算放大器U1的输出端，PMOS管M9的漏极接电阻R27的一端，电阻R27的另一端接低电压端LV；另外的两组场效应管对与此相同，它们的公共端是电阻R25、电阻R29、电阻R34、电阻R26、电阻R30、电阻R35、压电陶瓷L正端的公共点。

6.根据权利要求3所述的动态压电陶瓷驱动电源，其特征在于：所述的过流保护电路(7-2)由三极管T1、三极管T2、二极管D1、二极管D2、电阻R9、电阻R10组成，三极管T1的基极接电阻R9的一端，发射极接电阻R9的另一端，集电极接二极管D1的负极，二极管D1的正极接高压运放U1的输出端，三极管T2的基极接电阻R10的一端，发射极接R10的另一端，集电极接二极管D2的一端，二极管D2的另一端接高压运放U1的输出端。