高速压电陶瓷驱动电源

　　0 引 言

　　压电陶瓷具有体积小，分辨率高，响应快，推力大等一系列特点。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、光学扫描等领域。因此压电陶瓷的驱动电源技术已成为非常重要的研究热点。

　　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

　　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。

　　1.1 高压直流电源

　　高压直流电源部分如图1所示，工频220 V交流电经变压器输出双130 V交流，经整流桥整流和电容滤波后，得到180 V直流电，作为驱动电路的工作电压。

　　1.2 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170 V/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≥3.5 V，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=50 mA，即电压VA=7.5 V，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。

　　1.3 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转换模块后，将功率放大电路的运放参考点与地分开。