CN103715986A

CN103715986A - 一种压电器件驱动电路

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Publication number: CN103715986A
Application number: CN201210370354.6A
Authority: CN
Inventors: 黄臻
Original assignee: Nationz Technologies Inc
Current assignee: Nationz Technologies Inc
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN103715986B

Abstract

本发明适用于压电器件驱动领域，提供了一种压电器件驱动电路。在本发明中，通过对压电器件充放电控制模块和电能充放控制模块的通断进行组合控制以实现直流电源对压电器件进行充电、压电器件向电容模块放电、电容模块对压电器件进行充电或压电器件对地放电，达到了驱动压电器件或回收压电器件所释放的电荷的目的，整个压电器件驱动电路的功耗小、电路结构简单且体积小，降低了电路成本，从而解决现有技术所存在的体积大、功耗大且成本高的问题。

Description

一种压电器件驱动电路

技术领域

本发明属于压电器件驱动领域，尤其涉及一种压电器件驱动电路。

背景技术

在现有的线性驱动电路或数字开关驱动电路中，是直接从功率放大器或数字电路的输出管脚驱动压电器件（如压电陶瓷蜂鸣片、压电陶瓷超声波换能器）。由于压电器件的电容量大，基本上可等效于一纯电容负载，若其驱动电压为U，电容量为C及驱动频率为f，则驱动电路在最佳工作条件下对压电器件进行驱动所消耗的理论功率为U²Cf；但在实际情况下，驱动电路中的开关器件及其分布电阻会造成50%的功率损耗，所以压电器件所得到的功率仅为0.5U²Cf（即充放电效率为50%），且减小开关器件的电阻也并不能降低其功率损耗。

针对上述压电器件所得到的功率低的问题，现有技术通过采用电感器与压电器件的电容谐振，由电感器与压电器件进行电场能量与磁场能量的交换以达到高效率驱动压电器件的目的；然而，现有技术在驱动电路的驱动频率较低时，需要大电感量且高品质因数的电感器才能实现对压电器件的驱动，这样则会增大驱动电路的体积，增加驱动电路的成本，且电感器本身的功耗也较大，从而导致驱动电路的功耗也相应地增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电器件驱动电路，旨在解决现有技术所存在的体积大、功耗大且成本高的问题。

本发明是这样实现的，一种压电器件驱动电路，与直流电源及压电器件连接，所述直流电源的负极接地，所述压电器件驱动电路还包括：

压电器件充放电控制模块、电能充放控制模块及电容模块；

所述压电器件充放电控制模块与所述压电器件的第一端和第二端及所述直流电源的正极和负极相连接，所述压电器件充放电控制模块用于以开关控制模式控制所述直流电源对所述压电器件进行充电或控制所述压电器件对地进行放电；

所述电能充放控制模块与所述压电器件的第一端及所述电容模块连接，所述电能充放控制模块用于以开关控制模式控制所述电容模块与所述压电器件之间的电能充放操作；

所述电容模块与所述电能充放控制模块、所述压电器件的第二端及所述直流电源的负极相连接，所述电容模块用于根据所述电能充放控制模块的开关控制与所述压电器件进行电能充放操作；

所述压电器件充放电控制模块和所述电能充放控制模块根据所述压电器件的电容量、所述电容模块的电容量及整个压电器件驱动电路的内阻确定导通时间和断开时间以对所述压电器件和所述电容模块进行充放电平衡控制。

在本发明中，通过对压电器件充放电控制模块和电能充放控制模块的通断进行组合控制以实现直流电源对压电器件进行充电、压电器件向电容模块放电、电容模块对压电器件进行充电或压电器件对地放电，达到了驱动压电器件或回收压电器件所释放的电荷的目的，整个压电器件驱动电路的功耗小、电路结构简单且体积小，降低了电路成本，从而解决现有技术所存在的体积大、功耗大且成本高的问题。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的压电器件驱动电路的模块结构图；

图2是本发明第一实施例所提供的压电器件驱动电路的示例电路结构图；

图3是本发明第二实施例所提供的压电器件驱动电路的示例电路结构图；

图4是本发明第三实施例所提供的压电器件驱动电路的示例电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，通过对压电器件充放电控制模块和电能充放控制模块的通断进行组合控制以实现直流电源对压电器件进行充电、压电器件向电容模块放电、电容模块对压电器件进行充电或压电器件对地放电，达到了驱动压电器件或回收压电器件所释放的电荷的目的。

图1示出了本发明实施例所提供的压电器件驱动电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

压电器件驱动电路100与直流电源200及压电器件300连接，直流电源200的负极接地，压电器件驱动电路100还包括压电器件充放电控制模块101、电能充放控制模块102及电容模块103。

压电器件充放电控制模块101与压电器件300的第一端和第二端及直流电源200的正极和负极相连接，压电器件充放电控制模块101用于以开关控制模式控制直流电源200对压电器件300进行充电或控制压电器件300对地进行放电；

电能充放控制模块102与压电器件300的第一端及电容模块103连接，电能充放控制模块102用于以开关控制模式控制电容模块103与压电器件300之间的电能充放操作；

电容模块103与电能充放控制模块102、压电器件300的第二端及直流电源200的负极相连接，电容模块103用于根据电能充放控制模块102的开关控制与压电器件300进行电能充放操作；

压电器件充放电控制模块101和电能充放控制模块102根据压电器件300的电容量、电容模块103的电容量及整个压电器件驱动电路100的内阻确定导通时间和断开时间以对压电器件300和电容模块103进行充放电平衡控制。

其中，压电器件驱动电路100的内阻包括压电器件充放电控制模块101的内阻、电能充放控制模块102的内阻、电容模块103的内阻、压电器件300的内阻以及导线的内阻。

以下结合具体实施例对图1所示的压电器件驱动电路100的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图2示出了本发明第一实施例所提供的压电器件驱动电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

压电器件充放电控制模块101包括第一开关S1和第二开关S2，电能充放控制模块102为第三开关S3，电容模块103为第一电容C1；

第一开关S1的第一端接直流电源200的正极，第一开关S1的第二端和第二开关S2的第一端共接于压电器件300的第一端，第二开关S2的第二端同时与直流电源200的负极及压电器件300的第二端相连接，第三开关S3的第一端和第二端分别与压电器件300的第一端和第一电容C1的第一端连接，第一电容C1的第二端与压电器件300的第二端共接于直流电源200的负极。

进一步地，第一开关S1、第二开关S2及第三开关S3可以是机械触点开关、半导体开关器件或光电开关器件。其中，机械触点开关可以是以继电器为核心开关器件的开关电路或手动开关；半导体开关器件可以是以三极管、MOS管、MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管）或IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）为核心开关器件的开关电路；光电开关器件可以是以光电耦合器、光电二极管或光电三极管为核心开关器件的开关电路。

进一步地，第一电容C1可为任意类型的电容器，其电容值是压电器件300的电容值的10~100倍，这样就能在第一电容C1和直流电源200先后对压电器件300进行驱动后，保证对压电器件300的充放电效率接近传统驱动电路的充放电效率的200%。当第一电容C1的电容量为压电器件的电容量的10倍时，充放电效率已经接近理想充放电效率的96%，且充放电效率是随第一电容C1的电容量的增大而提高的。然而，考虑到成本和电路体积，具备过大电容量的电容都较为不实用，所以将第一电容C1的电容量选取为压电器件的电容量的10倍时的充放电效率作为理想充放电效率。假如压电器件300的电容值为10nF，则第一电容C1的电容值的取值范围是0.1μF~1μF。

以下结合工作原理对上述压电器件驱动电路100作进一步说明：

为了能够实现对压电器件300的驱动和电荷回收，需要保证第一开关S1、第二开关S2及第三开关S3的通断按照以下各步骤顺序进行控制：

（1）第一开关S1和第二开关S2断开，且第三开关S3导通，则第一电容C1通过第三开关S3向压电器件300进行正相充电（即从压电器件300的第一端对其进行充电）。

（2）第一开关S1导通，第二开关S2和第三开关S3均断开，则直流电源200通过第一开关S1对压电器件300正相充电。

（3）第一开关S1和第二开关S2断开，且第三开关S3导通，则压电器件300通过第三开关S3向第一电容C1放电（即对第一电容C1充电）。

（4）第一开关S1和第三开关S3断开，且第二开关S2导通，则压电器件300通过第二开关S2对地放电。

在上述步骤（1）至（4）中，第一开关S1、第二开关S2及第三开关S3的导通时间和断开时间是根据压电器件300的电容量、第一电容C1的电容量以及闭合回路内的电阻（包括第一开关S1、第二开关S2及第三开关S3的内阻，第一电容C1的内阻，压电器件300的内阻和导线的内阻）进行控制的，以对压电器件300和第一电容C1实现充电或放电平衡，提高压电器件驱动电路100的充放电效率。此外，通过顺序循环上述步骤（1）至（4）便能够实现对压电器件300的循环驱动和电荷回收。

实施例二：

图3示出了本发明第二实施例所提供的压电器件驱动电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

压电器件充放电控制模块101包括第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6及第七开关S7，电能充放控制模块102包括第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10及第十一开关S11，电容模块103为第二电容C2。

第四开关S4的第一端与第五开关S5的第一端共接于直流电源200的正极，第四开关S4的第二端与第六开关S6的第一端共接于压电器件300的第一端，第五开关S5的第二端与第七开关S7的第一端共接于压电器件300的第二端，第六开关S6的第二端与第七开关S7的第二端共接于直流电源200的负极，第八开关S8的第一端与第九开关S9的第一端共接于压电器件300的第一端，第八开关S8的第二端同时与第二电容C2的第一端及第十开关S10的第一端连接，第九开关S9的第二端同时与第二电容C2的第二端及第十一开关S11的第一端相连接，第十开关S10的第二端与第十一开关S11的第二端共接于压电器件300的第二端。

进一步地，第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10及第十一开关S11可以是机械触点开关、半导体开关器件或光电开关器件。其中，机械触点开关可以是以继电器为核心开关器件的开关电路或手动开关；半导体开关器件可以是以三极管、MOS管、MOSFET或IGBT为核心开关器件的开关电路；光电开关器件可以是以光电耦合器、光电二极管或光电三极管为核心开关器件的开关电路。

进一步地，第二电容C2可为任意类型的电容器，其电容值是压电器件300的电容值的10~100倍，这样就能在第二电容C2和直流电源200先后对压电器件300进行驱动后，保证对压电器件300的充放电效率接近传统驱动电路的充放电效率的200%。当第二电容C2的电容量为压电器件300的电容量的10倍时，充放电效率已经接近理想充放电效率的96%，且充放电效率是随第二电容C2的电容量的增大而提高的。然而，考虑到成本和电路体积，具备过大电容量的电容都较为不实用，所以将第二电容C2的电容量选取为压电器件的电容量的10倍时的充放电效率作为理想充放电效率。假如压电器件300的电容值为10nF，则第二电容C2的电容值的取值范围是0.1μF~1μF。

为了能够实现对压电器件100的驱动和电荷回收，需要保证第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10及第十一开关S11的通断按照以下各步骤顺序进行控制：

（1）第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第九开关S9及第十开关S10断开，且第八开关S8和第十一开关S11导通，则第二电容C2通过第八开关S8向压电器件300进行正相充电（即从压电器件300的第一端对其进行充电）。

（2）第四开关S4和第七开关S7导通，第五开关S5、第六开关S6、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10及第十一开关S11均断开，则直流电源200通过第四开关S4对压电器件300正相充电。

（3）第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第九开关S9及第十开关S10断开，且第八开关S8和第十一开关S11导通，则压电器件300通过第八开关S8向进行第二电容C2正相放电（即从压电器件300的第一端对第二电容C2充电）。

（4）第四开关S4、第五开关S5、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10及第十一开关S11断开，且第六开关S6和第七开关S7导通，则压电器件300通过第六开关S6和第七开关S7对地反相放电（即从压电器件300的第二端对地放电）。

（5）第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8及第十一开关S11断开，且第九开关S9和第十开关S10导通，则第二电容C2通过第十开关S10对压电器件300反相充电（即从压电器件300的第二端对其进行充电）。

（6）第四开关S4、第七开关S7、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10及第十一开关S11断开，且第五开关S5和第六开关S6导通，则直流电源200通过第五开关S5对压电器件300反相充电。

（7）第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8及第十一开关S11断开，且第九开关S9和第十开关S10导通，则压电器件300向进行第二电容C2反相放电（即从压电器件300的第二端对第二电容C2充电）。

（8）第四开关S4、第五开关S5、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10及第十一开关S11断开，且第六开关S6和第七开关S7导通，则压电器件300通过第六开关S6和第七开关S7对地反相放电。

在上述步骤（1）至（8）中，第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10及第十一开关S11的导通时间和断开时间是根据压电器件300的电容量、第二电容C2的电容量以及闭合回路内的电阻（包括第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10及第十一开关S11的内阻，第二电容C2的内阻，压电器件300的内阻和导线的内阻）进行控制的，从而对压电器件300和第二电容C2实现充电或放电平衡，提高压电器件驱动电路100的充放电效率。此外，通过顺序循环上述步骤（1）至（8）便能够实现对压电器件300的循环驱动和电荷回收。

实施例三：

图4示出了本发明第三实施例所提供的压电器件驱动电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

压电器件充放电控制模块101包括第十二开关S12和第十三开关S13，电能充放控制模块102包括第十四开关S14和第十五开关S15，电容模块103包括第三电容C3、第四电容C4、第十六开关S16及第十七开关S17。

第十二开关S12的第一端接直流电源200的正极，第十二开关S12的第二端与第十三开关S13的第一端共接于压电器件300的第一端，第十三开关S13的第二端与直流电源200的负极及压电器件300的第二端相连接，第十四开关S14的第一端与第十五开关S15的第一端共同连接于压电器件300的第一端，第十四开关S14的第二端同时与第十六开关S16的第一端及第三电容C3的第一端连接，第十五开关S15的第二端连接第四电容C4的第一端，第十六开关S16的第二端与第四电容C4的第二端共接于第十七开关S17的第一端，第十七开关S17的第二端与压电器件300的第二端共接于直流电源200的负极。

进一步地，第十二开关S12、第十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16及第十七开关S17可以是机械触点开关、半导体开关器件或光电开关器件。其中，机械触点开关可以是以继电器为核心开关器件的开关电路或手动开关；半导体开关器件可以是以三极管、MOS管、MOSFET或IGBT为核心开关器件的开关电路；光电开关器件可以是以光电耦合器、光电二极管或光电三极管为核心开关器件的开关电路。

进一步地，第三电容C3和第四电容C4可为任意类型的电容器，第三电容C3和第四电容C4的电容值相同，均是压电器件300的电容值的10~100倍，这样就能在第三电容C3与第四电容C4和直流电源200先后对压电器件300进行驱动后，保证对压电器件300的充放电效率接近传统驱动电路的充放电效率的166%。当第三电容C3和第四电容C4的电容量为压电器件的电容量的10倍时，充放电效率已经接近理想充放电效率的96%，且充放电效率是随第三电容C3和第四电容C4的电容量的增大而提高的。然而，考虑到成本和电路体积，具备过大电容量的电容都较为不实用，所以将第三电容C3和第四电容C4的电容量选取为压电器件的电容量的10倍时的充放电效率作为理想充放电效率。假如压电器件300的电容值为10nF，则第三电容C3和第四电容C4的电容值的取值范围均为0.1μF~1μF。

为了能够实现对压电器件300的驱动和电荷回收，需要保证第十二开关S12、第十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16及第十七开关S17的通断按照以下各步骤顺序进行控制：

（1）第十二开关S12、第十三开关S13、第十四开关S14及第十七开关S17均断开，且第十五开关S15和第十六开关S16均导通，则第三电容C3和第四电容C4串联通过第十五开关S15向压电器件300进行正相充电（即从压电器件300的第一端对其进行充电）。

（2）第十二开关S12导通，第十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16及第十七开关S17均断开，则直流电源200通过第十二开关S12对压电器件300进行正相充电。

（3）第十二开关S12、第十三开关S13及第十六开关S16均断开，且第十四开关S14、第十五开关S15及第十七开关S17均导通，则压电器件300分别通过第十四开关S14和第十五开关S15向第三电容C3和第四电容C4放电（即同时对并联的第三电容C3和第四电容C4进行充电）。

（4）第十二开关S12、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16及第十七开关S17均断开，且第十三开关S13导通，则压电器件300通过第十三开关S13对地放电。

在上述步骤（1）至（4）中，第十二开关S12、第十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16及第十七开关S17的导通时间和断开时间是根据压电器件300的电容量、第三电容C3和第四电容C4的电容量以及闭合回路内的电阻（包括第十二开关S12、第十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16及第十七开关S17的内阻，第三电容C3的内阻、第四电容C4的内阻、压电器件300的内阻及导线的内阻）进行控制的，从而对压电器件300、第三电容C3和第四电容C4实现充电或放电平衡，提高压电器件驱动电路100的充放电效率。此外，通过顺序循环上述步骤（1）至（4）便能够实现对压电器件300的循环驱动和电荷回收。

本发明第一实施例、第二实施例及第三实施例所提供的压电器件驱动电路均可应用于音频讯响器、蜂鸣器、超声波设备（如液体燃料雾化器、加湿器、粉碎机、超声波焊接设备及测距设备等）、压电效应动力设备（如压电效应电动机、内燃机喷油嘴及喷墨打印机喷头等）、压电效应光开关及光调制器等需要采用压电器件的设备。

在本发明实施例中，通过对压电器件充放电控制模块和电能充放控制模块的通断进行组合控制以实现直流电源对压电器件进行充电、压电器件向电容模块放电、电容模块对压电器件进行充电或压电器件对地放电，达到了驱动压电器件或回收压电器件所释放的电荷的目的，整个压电器件驱动电路的功耗小、电路结构简单且体积小，降低了电路成本，从而解决现有技术所存在的体积大、功耗大且成本高的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种压电器件驱动电路，与直流电源及压电器件连接，所述直流电源的负极接地，其特征在于，所述压电器件驱动电路还包括：

压电器件充放电控制模块、电能充放控制模块及电容模块；

2.如权利要求1所述的压电器件驱动电路，其特征在于，所述压电器件充放电控制模块包括第一开关和第二开关，所述电能充放控制模块为第三开关，所述电容模块为第一电容；

所述第一开关的第一端接所述直流电源的正极，所述第一开关的第二端和所述第二开关的第一端共接于所述压电器件的第一端，所述第二开关的第二端同时与所述直流电源的负极及所述压电器件的第二端相连接，所述第三开关的第一端和第二端分别与所述压电器件的第一端和所述第一电容的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述压电器件的第二端共接于所述直流电源的负极。

3.如权利要求2所述的压电器件驱动电路，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关及所述第三开关是机械触点开关、半导体开关器件或光电开关器件。

4.如权利要求2所述的压电器件驱动电路，其特征在于，所述第一电容的电容值是所述压电器件的电容值的10~100倍。

5.如权利要求1所述的压电器件驱动电路，其特征在于，所述压电器件充放电控制模块包括第四开关、第五开关、第六开关及第七开关，所述电能充放控制模块包括第八开关、第九开关、第十开关及第十一开关，所述电容模块为第二电容。

所述第四开关的第一端与所述第五开关的第一端共接于所述直流电源的正极，所述第四开关的第二端与所述第六开关的第一端共接于所述压电器件的第一端，所述第五开关的第二端与所述第七开关的第一端共接于所述压电器件的第二端，所述第六开关的第二端与所述第七开关的第二端共接于所述直流电源的负极，所述第八开关的第一端与所述第九开关的第一端共接于所述压电器件的第一端，所述第八开关的第二端同时与所述第二电容的第一端及所述第十开关的第一端连接，所述第九开关的第二端同时与所述第二电容的第二端及所述第十一开关的第一端相连接，所述第十开关的第二端与所述第十一开关的第二端共接于所述压电器件的第二端。

6.如权利要求5所述的压电器件驱动电路，其特征在于，所述第四开关、所述第五开关、所述第六开关、所述第七开关、所述第八开关、所述第九开关、所述第十开关及所述第十一开关是机械触点开关、半导体开关器件或光电开关器件。

7.如权利要求5所述的压电器件驱动电路，其特征在于，所述第二电容的电容值是所述压电器件的电容值的10~100倍。

8.如权利要求1所述的压电器件驱动电路，其特征在于，所述压电器件充放电控制模块包括第十二开关和第十三开关，所述电能充放控制模块包括第十四开关和第十五开关，所述电容模块包括第三电容、第四电容、第十六开关及第十七开关。

所述第十二开关的第一端接所述直流电源的正极，所述第十二开关的第二端与所述第十三开关的第一端共接于所述压电器件的第一端，所述第十三开关的第二端与所述直流电源的负极及所述压电器件的第二端相连接，所述第十四开关的第一端与所述第十五开关的第一端共同连接于所述压电器件的第一端，所述第十四开关的第二端同时与所述第十六开关的第一端及所述第三电容的第一端连接，所述第十五开关的第二端连接所述第四电容的第一端，所述第十六开关的第二端与所述第四电容的第二端共接于所述第十七开关的第一端，所述第十七开关的第二端与所述压电器件的第二端共接于所述直流电源的负极。

9.如权利要求8所述的压电器件驱动电路，其特征在于，所述第十二开关、所述第十三开关、所述第十四开关、所述第十五开关、所述第十六开关及所述第十七开关是机械触点开关、半导体开关器件或光电开关器件。

10.如权利要求8所述的压电器件驱动电路，其特征在于，所述第三电容和所述第四电容的电容值相同，且所述第三电容和所述第四电容的电容值均是所述压电器件的电容值的10~100倍。