CN113110146B - 一种驱动电源电路及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动电源电路，涉及驱动电源技术领域。本发明主要由电源模块、控制模块和输出电压产生模块组成，其中输出电压产生模块包括充电电路、放电电路和比较电路。本发明驱动简单，通过设置参考电压信号波形参数即可调节输出电压上升时间、下降时间、高低电压持续时间以及低电压幅值，特别地利用升压原理实现了容性负载能量的回收利用。与现有技术相比，本发明无需复杂充放电速度计算，具有控制简单、结构简单、系统损耗小，器件温升低，能量利用效率高，可靠性高等优点，可运用于压电陶瓷喷射阀的驱动。

Description

一种驱动电源电路及其驱动方法

技术领域

本发明涉及驱动电源技术领域，特别涉及一种容性负载驱动电源及其驱动方法。

背景技术

流体点胶技术是微电子封装技术中非常关键的一项技术。现有的点胶技术大致可分为接触式点胶和非接触式(喷射)点胶两种，而在非接触式点胶技术中，压电陶瓷喷射阀因具有响应快、频率高、点胶一致性好等优点，在点胶领域得到了广泛的应用。在这种点胶方式中，压电陶瓷驱动电源的性能是影响点胶性能的关键因素。

压电陶瓷是一种容性负载，现有技术的压电陶瓷驱动电源，大多采用高压运放或PWM开关控制充放电方式产生驱动电压波形：采用高压运放的驱动电源具有电压可设置、波形可调节的优点，但高压运放价格极其昂贵、驱动能力弱、能量转换效率差，通常用于精度要求较高的线性位移控制；采用PWM开关控制充放电方式的驱动电源驱动能力较强，但由于电路的时间常数确定，一般只能调节驱动电压的大小，控制精度差，通用性不强。

目前有专利申请CN201711087661.2提出一种自动点胶机压电陶瓷喷射阀驱动电源，以PWM控制充放电速度的方式实现了上升时间和下降时间的控制。这种方案确实达到了输出电压波形上升、下降时间可调节的目的，但是由于需要采样并计算充放电速度，然后输出需要的PWM波做驱动控制输出电压上升、下降时间参数，计算和控制极其复杂，受温度变化和负载变化影响大；另外，现有方案对负载的放电一般依靠开关管或放电电阻实现，功率消耗大，能量利用效率低，相关充放电器件的温升非常高，可靠性大大降低。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种控制简单，无需计算充放电速度即可实现输出电压上升时间、下降时间、高低电压持续时间，且可实现低电压幅值可调的容性负载驱动电源，还可设计为具有能量回收功能。

本发明的构思具体为，容性负载驱动电源电路包括电源模块、控制模块和输出电压产生模块，电源模块输出多路电压作为控制模块和输出电压产生模块的供电电源，电源模块可接收控制模块产生的控制信号进行启动与关断，实现故障保护；控制模块使用单片机作为处理器，处理器中运行控制软件，用户通过外部设备输入需要的上升时间、下降时间、高低电压持续时间和低电压幅值参数，控制模块根据用户输入的参数产生相应参考电压信号，输出电压产生模块由充电电路、放电电路和比较电路组成，其中比较电路采样输出电压后同控制模块产生的参考电压信号进行比较输出驱动控制充电电路和放电电路工作，产生需要的输出电压波形。

本发明的核心，输出电压产生模块通过充电电路和放电电路相互配合，将参考电压信号进行功率放大，最终输出容性负载需要的驱动电压波形。特别的，针对现有损耗极大的使用放电电阻直接放电的放电电路，本发明放电电路利用升压原理将容性负载中的能量回收到电源模块输出端，实现了能量的回收利用。

本发明的核心，输出电压产生模块具体技术方案如下：

输出电压产生模块包含充电电路、放电电路和比较电路，充电电路第一端用于连接电源模块，充电电路第二端用于连接容性负载，充电电路第三端用于连接比较电路，比较电路一端用于连接控制模块，比较电路另一端用于连接充电电路和容性负载的连接点，放电电路的两端分别用于连接充电电路和比较电路的连接点与充电电路和容性负载的连接点，比较电路用于接收参考电压信号后与输出采样电压进行比较，控制电路工作，输出相应的输出电压波形。

作为充电电路的一种具体实施方式，包括MOS管TR1和驱动1，MOS管TR1漏极用于连接电源模块，MOS管TR1源极用于连接比较电路和容性负载，驱动1连接进MOS管TR1栅、源极之间，驱动1一端用于连接比较电路。

作为充电电路的又一种具体实施方式，包括MOS管TR1、电阻R3、光耦OC1和二极管D2，MOS管TR1漏极用于连接电源模块，MOS管TR1源极用于连接比较电路和容性负载，电阻R3连接进MOS管TR1栅、源极之间，MOS管TR1栅极连接光耦OC1负输出端，光耦OC1正输出端和输出供电端连接电源模块，光耦OC1内部发光二极管阴极接地，光耦OC1内部发光二极管阳极连接二极管D2阳极，二极管D2阴极用于连接比较电路。

作为比较电路的一种具体实施方式，包括运放、采样电阻R1和采样电阻R2，电阻R1一端用于连接充电电路和容性负载，电阻R1另一端连接电阻R2一端和运放反向输入端，电阻R2另一端接地，运放输出端用于连接充电电路和放电电路，运放同相输入端用于连接控制模块。

作为比较电路的又一种具体实施方式，包括运放、电容C1、采样电阻R1和采样电阻R2，电阻R1一端用于连接充电电路和容性负载，电阻R1另一端连接电阻R2一端和运放反向输入端，电阻R2另一端接地，电容C1连接进运放输出端和其反向输入端之间，运放输出端用于连接充电电路和放电电路，运放同相输入端用于连接控制模块。

作为放电电路的一种具体实施方式，包括MOS管TR2和驱动2，MOS管TR2漏极用于连接充电电路和容性负载一端，MOS管TR2源极接地，驱动2连接进MOS管TR2栅、源极之间，驱动2一端用于连接比较电路和充电电路，驱动2根据比较电路输出电压大小，驱动MOS管TR2导通或关断。

作为放电电路的又一种具体实施方式，包括二极管D1、电感L1、MOS管TR2和驱动2，电感L1一端连接容性负载和比较电路，电感L1另一端同时连接MOS管TR2漏极和二极管D1阳极，二极管D1阴极用于连接电源模块，MOS管TR2源极接地，驱动2连接进MOS管TR2栅、源极之间，驱动2一端用于连接比较电路和充电电路，驱动2根据比较电路输出电压大小，驱动MOS管TR2导通或关断。

作为放电电路的再一种具体实施方式，包括电感L1、二极管D1、MOS管TR2、电阻R4、三极管Q1和电阻R5，二极管D1阴极用于连接电源模块，二极管D1阳极连接电感L1一端和MOS管TR2漏极，电感L1另一端用于连接容性负载一端，MOS管TR2源极接三极管Q1发射极和地，MOS管TR2栅极连接三极管Q1集电极和电阻R4一端，电阻R4另一端用于连接电源模块，三极管Q1基极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端用于连接充电电路和比较电路。

作为放电电路的另一种具体实施方式，包括变压器T1、二极管D1、MOS管TR2、电阻R4、电阻R5和三极管Q1，变压器T1初级异名端连接容性负载一端和比较电路的连接点，变压器T1初级同名端连接MOS管TR2漏极，MOS管TR2源极连接地，变压器T1次级同名端连接二极管D1阳极，变压器T1次级异名端连接地，二极管D1阴极用于连接电源模块，MOS管TR2栅极同时连接电阻R4一端和三极管Q1集电极，电阻R4另一端用于连接电源模块，三极管Q1发射极连接地，三极管Q1基极连接电阻R5一端，电阻R5另一端用于接比较电路和充电电路的连接点。

本发明还提供一种电源电路驱动方法，电源电路包括电源模块、控制模块、输出电压产生模块，其特征在于，包括如下步骤，

电源模块供压步骤，电源模块输出多路电压，一路作为控制模块供电电源，其余路作为输出电压产生模块的供电电源；

控制步骤，控制模块接收用户通过外部设备输入的上升时间、下降时间、高低电压持续时间、低电压幅值参数，根据参数产生参考电压信号给输出电压产生模块；

输出电压产生步骤，比较电路接收参考电压信号后与输出采样电压进行比较，控制电路工作，输出相应的输出电压波形。

本发明的优点显而易见，有益效果如下：

1、通过设置参考电压信号，无需复杂充放电速度计算即可实现输出电压上升时间、下降时间、高低电压持续时间和低电压幅值的调节，驱动简单，软件控制简单，电路结构简单；

2、具有能量回收功能，能有效减小系统功耗，降低器件温升，缩小产品体积，提高系统可靠性。

附图说明

图1为本发明电路系统连接示意图；

图2为本发明部分电路结构一示意图；

图3为本发明部分电路结构又一示意图；

图4为本发明第一实施例电路结构示意图；

图5为本发明第二实施例电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明更加清楚明白，以下将结合附图及具体实施例，对本发明技术方案进行更加清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明一种容性负载驱动电源电路包括电源模块1、控制模块2和输出电压产生模块3，控制模块2两端分别连接电源模块1一端和输出电压产生模块3一端，输出电压产生模块3另外两端分别连接电源模块1另一端和容性负载一端；输出电压产生模块3包含充电电路、放电电路和比较电路，充电电路第一端用于连接电源模块1，充电电路第二端用于连接容性负载一端，充电电路第三端用于连接比较电路，比较电路一端用于连接控制模块2，比较电路另一端用于连接充电电路和容性负载的连接点，放电电路的两端分别用于连接充电电路和比较电路的连接点与充电电路和容性负载的连接点。

比较电路接收控制模块2产生的参考电压信号Vref并同输出电压进行比较，然后输出驱动电压驱动充电电路和放电电路工作，实现输出电压的控制。放电电路采用升压电路结构，能够将容性负载中的能量回收到电源模块1的输出端，具有能量回收功能。

电源模块1包括辅助电源模块和主功率电源模块，辅助电源模块输出多路电压，一路作为主功率电源模块工作的供电电源，其余的作为控制模块2和输出电压产生模块3的供电电源，主功率电源模块输出一路高电压作为输出电压产生模块3中充电电路的供电电源，主功率电源模块可接收控制模块2产生的控制信号进行启动与关断，实现主功率输出保护。

控制模块2使用STM32作为处理器，处理器中运行控制软件，用户通过外部设备输入需要的上升时间、下降时间、高低电压持续时间和低电压幅值参数，控制软件根据用户设定的参数控制相关电路产生相应参考电压信号Vref。

如图2所示，为本发明电路的输出电压产生模块一结构图，充电电路包括MOS管TR1和驱动1，MOS管TR1漏极用于连接电源模块，MOS管TR1源极用于连接比较电路和容性负载一端，驱动1连接进MOS管TR1栅、源极之间，驱动1一端用于连接比较电路；比较电路包括运放、采样电阻R1和采样电阻R2，电阻R1一端用于连接充电电路和容性负载，电阻R1另一端连接电阻R2一端和运放反向输入端，电阻R2另一端接地，运放输出端用于连接充电电路和放电电路，运放同相输入端用于连接控制模块；放电电路包括MOS管TR2和驱动2，MOS管TR2漏极用于连接充电电路和容性负载一端，MOS管TR2源极接地，驱动2连接进MOS管TR2栅、源极之间，驱动2一端用于连接比较电路和充电电路，驱动2根据比较电路输出电压大小，驱动MOS管TR2导通或关断。

如图3所示，为本发明电路的输出电压产生模块又一结构图，与图2所示结构相比，区别之处在于，放电电路还包括二极管D1和电感L1，电感L1一端连接容性负载和比较电路，电感L1另一端同时连接MOS管TR2漏极和二极管D1阳极，二极管D1阴极用于连接电源模块。充电电路和放电电路相互配合，将参考电压信号进行功率放大，最终输出容性负载需要的驱动电压波形，针对现有损耗极大的使用放电电阻直接放电的放电电路，图3所示电路增加二极管D1和电感L1，利用升压原理将容性负载中的能量回收到电源模块输出端，实现了能量的回收利用。

第一实施例

本发明第一实施例的输出电压产生模块电路如图4所示，充电电路31包括MOS管TR1、电阻R3、光耦OC1和二极管D2，比较电路33包括运放、电容C1、采样电阻R1和采样电阻R2，放电电路34包括电感L1、二极管D1、MOS管TR2、电阻R4、三极管Q1和电阻R5。

MOS管TR1漏极用于连接电源模块1的主功率电源模块输出端，MOS管TR1源极用于连接比较电路和容性负载，电阻R3连接进MOS管TR1栅、源极之间，MOS管TR1栅极连接光耦OC1负输出端，光耦OC1正输出端和输出供电端连接电源模块1中的辅助电源模块的一路输出VCC1，光耦OC1内部发光二极管阴极接地，光耦OC1内部发光二极管阳极连接二极管D2阳极，二极管D2阴极用于连接比较电路33。

电阻R1一端用于连接充电电路31和容性负载，电阻R1另一端连接电阻R2一端和运放反向输入端，电阻R2另一端接地，电容C1连接进运放输出端和其反向输入端之间，运放输出端用于连接放电电路34和充电电路31，运放同相输入端用于连接控制模块2接收参考电压信号Vref。

二极管D1阴极用于连接电源模块1的主功率电源模块输出端，二极管D1阳极连接电感L1一端和MOS管TR2漏极，电感L1另一端用于连接容性负载一端，MOS管TR2源极接三极管Q1发射极和地，MOS管TR2栅极连接三极管Q1集电极和电阻R4一端，电阻R4另一端用于连接电源模块1中的辅助电源模块的一路输出VCC2，三极管Q1基极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端用于连接充电电路31和比较电路33。

容性负载另一端接地。

放电电路34整体为BOOST结构，当MOS管TR2导通，容性负载上的能量转移到电感L1中，当MOS管TR2关断，电感L1上储存的能量将被释放至电源模块1的输出端，由此实现了容性负载能量的回收利用，降低了功率器件的温升和损耗。

本实施例具体工作过程如下：

当输出采样电压高于参考电压信号Vref，运放输出低电压使(驱动2中)三极管Q1截止，MOS管TR2在VCC2驱动下导通，容性负载中的部分能量转移到电感L1中，因二极管D2为稳压二极管，运放输出的低电压不能使光耦OC1内部发光二极管发光工作，此时MOS管TR1关断；

当输出采样电压低于参考电压信号Vref，运放输出高电压使三极管Q1导通，MOS管TR2由此关断，电感L1中的能量通过二极管TR1回收到电源模块输出端，同时，运放输出的高电压击穿二极管D2使光耦OC1工作，MOS管TR1在VCC1驱动下导通，对容性负载进行充电。

与现有采用PWM控制充放电速度的技术比较，采用此种原理的电路结构只需设置参考电压信号Vref的波形，无需进行充放电速度计算即可实现输出电压上升时间、下降时间、高低电压持续时间和低电压幅值的调节。同时，与现有采用开关管或放电电阻进行放电的技术相比，本发明带能量回收的输出电压产生电路驱动简单，结构简单，能有效回收容性负载能量，减少系统损耗，降低器件温升，提高系统工作可靠性。

第二实施例

本发明第二实施例的输出电压产生模块电路如图4所示，与第一实施例相比较，区别在于，放电电路35(34)采用反激结构，包括变压器T1、二极管D1、MOS管TR2、电阻R4、电阻R5和三极管Q1，变压器T1初级异名端连接容性负载一端和比较电路33的连接点，变压器T1初级同名端连接MOS管TR2漏极，MOS管TR2源极连接地，变压器T1次级同名端连接二极管D1阳极，变压器T1次级异名端连接地，二极管D1阴极用于连接电源模块1的主功率电源模块的输出端，MOS管TR2栅极同时连接电阻R4一端和三极管Q1集电极，电阻R4另一端用于连接电源模块1的辅助电源模块一路输出VCC2，三极管Q1发射极连接地，三极管Q1基极连接电阻R5一端，电阻R5另一端用于接比较电路33和充电电路的连接点。本实施例工作过程类似第一实施例，在此不作赘述。

以上仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，如将上述MOS管TR2由N沟道更改为P沟道；将图2至图5中的运放、驱动1和驱动2的逻辑同时进行反相；在运放反相输入端和输出端之间并联电阻电容进行环路补偿等。这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种驱动电源电路，用于驱动容性负载，其特征在于：包括电源模块、控制模块和输出电压产生模块，控制模块两端分别连接电源模块一端和输出电压产生模块一端，输出电压产生模块另一端连接电源模块另一端，输出电压产生模块另一端用于连接容性负载一端，容性负载另一端接地；

电源模块用于输出多路电压，一路作为控制模块供电电源，其余路作为输出电压产生模块的供电电源；

控制模块用于接收用户通过外部设备输入的上升时间、下降时间、高低电压持续时间、低电压幅值参数，根据参数产生参考电压信号给输出电压产生模块；

输出电压产生模块包含充电电路、放电电路和比较电路，充电电路第一端用于连接电源模块，充电电路第二端用于连接容性负载，充电电路第三端用于连接比较电路，比较电路一端用于连接控制模块，比较电路另一端用于连接充电电路和容性负载的连接点，放电电路的两端分别用于连接充电电路和比较电路的连接点与充电电路和容性负载的连接点，比较电路用于接收参考电压信号后与输出采样电压进行比较，控制电路工作，输出相应的输出电压波形。

2.根据权利要求1所述的驱动电源电路，其特征在于：所述充电电路包括MOS管TR1和驱动1，MOS管TR1漏极用于连接电源模块，MOS管TR1源极用于连接比较电路和容性负载，驱动1连接进MOS管TR1栅、源极之间，驱动1一端用于连接比较电路。

3.根据权利要求1所述的驱动电源电路，其特征在于：所述充电电路包括MOS管TR1、电阻R3、光耦OC1和二极管D2，MOS管TR1漏极用于连接电源模块，MOS管TR1源极用于连接比较电路和容性负载，电阻R3连接进MOS管TR1栅、源极之间，MOS管TR1栅极连接光耦OC1负输出端，光耦OC1正输出端和输出供电端连接电源模块，光耦OC1内部发光二极管阴极接地，光耦OC1内部发光二极管阳极连接二极管D2阳极，二极管D2阴极用于连接比较电路。

4.根据权利要求1所述的驱动电源电路，其特征在于：所述比较电路包括运放、采样电阻R1和采样电阻R2，电阻R1一端用于连接充电电路和容性负载，电阻R1另一端连接电阻R2一端和运放反向输入端，电阻R2另一端接地，运放输出端用于连接充电电路和放电电路，运放同相输入端用于连接控制模块。

5.根据权利要求1所述的驱动电源电路，其特征在于：所述比较电路包括运放、电容C1、采样电阻R1和采样电阻R2，电阻R1一端用于连接充电电路和容性负载，电阻R1另一端连接电阻R2一端和运放反向输入端，电阻R2另一端接地，电容C1连接进运放输出端和其反向输入端之间，运放输出端用于连接充电电路和放电电路，运放同相输入端用于连接控制模块。

6.根据权利要求1所述的驱动电源电路，其特征在于：所述放电电路包括MOS管TR2和驱动2，MOS管TR2漏极用于连接充电电路和容性负载一端，MOS管TR2源极接地，驱动2连接进MOS管TR2栅、源极之间，驱动2一端用于连接比较电路和充电电路，驱动2根据比较电路输出电压大小，驱动MOS管TR2导通或关断。

7.根据权利要求1所述的驱动电源电路，其特征在于：所述放电电路包括二极管D1、电感L1、MOS管TR2和驱动2，电感L1一端连接容性负载和比较电路，电感L1另一端同时连接MOS管TR2漏极和二极管D1阳极，二极管D1阴极用于连接电源模块，MOS管TR2源极接地，驱动2连接进MOS管TR2栅、源极之间，驱动2一端用于连接比较电路和充电电路，驱动2根据比较电路输出电压大小，驱动MOS管TR2导通或关断。

8.根据权利要求1所述的驱动电源电路，其特征在于，所述放电电路包括电感L1、二极管D1、MOS管TR2、电阻R4、三极管Q1和电阻R5，二极管D1阴极用于连接电源模块，二极管D1阳极连接电感L1一端和MOS管TR2漏极，电感L1另一端用于连接容性负载一端，MOS管TR2源极接三极管Q1发射极和地，MOS管TR2栅极连接三极管Q1集电极和电阻R4一端，电阻R4另一端用于连接电源模块，三极管Q1基极连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端用于连接充电电路和比较电路。

9.根据权利要求1所述的驱动电源电路，其特征在于：所述放电电路包括变压器T1、二极管D1、MOS管TR2、电阻R4、电阻R5和三极管Q1，变压器T1初级异名端连接容性负载一端和比较电路的连接点，变压器T1初级同名端连接MOS管TR2漏极，MOS管TR2源极连接地，变压器T1次级同名端连接二极管D1阳极，变压器T1次级异名端连接地，二极管D1阴极用于连接电源模块，MOS管TR2栅极同时连接电阻R4一端和三极管Q1集电极，电阻R4另一端用于连接电源模块，三极管Q1发射极连接地，三极管Q1基极连接电阻R5一端，电阻R5另一端用于接比较电路和充电电路的连接点。

10.一种电源电路驱动方法，应用于权利要求1至9任一项所述的驱动电源电路，包括如下步骤，

电源模块供压步骤，电源模块输出多路电压，一路作为控制模块供电电源，其余路作为输出电压产生模块的供电电源；

控制步骤，控制模块接收用户通过外部设备输入的上升时间、下降时间、高低电压持续时间、低电压幅值参数，根据参数产生参考电压信号给输出电压产生模块；

输出电压产生步骤，比较电路接收参考电压信号后与输出采样电压进行比较，控制电路工作，输出相应的输出电压波形。

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