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1、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
2、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（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（2）恒流源
3、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/s，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 VGS3.5V，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
4、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
5、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-100V，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2、设计结果该设计的输入信号幅值范围为-100V，输出范围为 0350V，泄放电流为 50mA。实验测试时，以容性负载 230（10.1）pF 为标准，在 10
6、0Hz100kHz 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/s，上升速率约为80V/s，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。
