一种新型压电陶瓷驱动电源的研究

接在一起，直接接地。为了MSK4223实现100%调制，积分器A1的输出必须保证在1.25 V~3.75 V之间。A1是一个高速精密运算放大器，它对于任何所需的直流增益可以运行，在反馈设计中当作积分器使用。A2的输出信号可以提供所需的输入电压来驱动MSK4223，从而形成闭环控制。使积分放大器A1的时间常数足够快，以尽可能提供所需带宽的频率响应，循环的精确性靠高增益来确保。总之，积分放大器A1和差分放大器A2将输入控制信号转变为对应的脉冲放大信号。MSK4223通过内部比较器将积分放大器输出的信号与斜坡电压作比较来产生占空比信息。Output A和Output B输出的信号经过LC低通滤波器将脉冲放大信号重新解调成正弦信号来驱动负载。
2 脉冲开关型驱动电源效率分析
　PWM开关型放大器具有使用效率高、节省成本和体积小等一系列特点。整个电路主要的损耗就集中在场效应管（或三极管）元件开关损耗和导通时饱和压降引起的损耗。因此可以通过公式分析放大器内部使用效率与功耗。此次设计采用的是全桥开关型放大器，为了直观分析效率，使用半桥输出电路，全桥输出电路放大器内部功率损耗是半桥输出电路的两倍，如图4所示。

　MSK4223放大器内部的功率损耗为：

　通过式（11）可知，输出电压VO越接近供电电压VS，效率就会越高。PWM放大器的优点就是输出总是接近供电电压或者接近于零。由于在输出电压的过程中压降很小，因此，开关放大器的效率要比线性放大器高。PWM放大器的输出效率值通常可以达到80%～95%。虽然PWM开关放大器的技术目前相对还不成熟，但当线性放大器和PWM放大器传送最大输出时，它们的效率几乎是相同的。典型来说，在输出电流相近的情况下，相比线性放大器来说，PWM放大器大约只有1/3或者更少的压降。静态功耗只是总体功率的一小部分。功耗的计算只包括输出电流和放大器所有的阻抗。另外，PWM开关放大器可以改善体积和硬件成本，提高便携性，因为其静态功耗低、发热少，不需要安装多个散热模块。
3 脉冲开关型驱动电源实验研究与结果
　由于设计是以PWM放大器为核心的开关型压电陶瓷驱动电源全桥方式输出，因此，AOUT-BOUT电压经LC低通滤波后的电压即为压电陶瓷两端的电压，并且为悬浮电压。选用隔离差分探头进行测量，确保更精确测量压电陶瓷两端电压信号并传送到示波器的输入端。由于压电陶瓷相当于容性负载，为了测试开关型压电陶瓷驱动电源动态性能和最大有效带宽，使用高精度的CBO电容来模拟压电陶瓷。对该电源输入阶跃信号，对应的阶跃响应如图5所示。上升时间大约为150 μs。

　驱动电源调制后的输出脉冲是一些不同占空比的波形。图6给出了2 kHz时占空比为90%的波形，反馈积分差分放大器的截止频率是20 kHz，理论上，PWM模块可以调制至少10 kHz的输入正弦信号，但由于反馈元件参数较难匹配，随着输入正弦信号频率的增加，最终跟随输入正弦信号的输出放大信号调制频率为2 kHz。

　压电陶瓷的动态应用场合越来越多，通过分析目前使用的驱动电源存在的使用效率低、体积大等问题，提出了一种使用效率高、动态性能好的PWM压电陶瓷驱动电源，使用效率提高到80%以上，有效输出带宽可以达到2 kHz，体积小，集成度也有了明显提高。
参考文献
[1] INOKUMA T，TAKETA Y. Control of electrical properties of RuO2 thick film resistors[J]. Active and Passive Elec Comp， 1987（12）：155-166.
[2] JOSHI A G， SHARM A D.SARMA G H. An approach to ensure stability of precision laser trimmed thick film resistors[J]. Microelect and Reliability， 1983，23（1）：161-165.
[3] 周亮，姚英学，张宏志.低波纹度快速响应压电陶瓷驱动电源的研制[J].压电与声光，2000，22（4）：237-239.
[4] 李福良.基于PA85的新型压电陶瓷驱动电源[J].压电与声光，2005，27（4）：392-394.
[5] 黄春，汝长海，叶秀芬，等.基于补偿技术的宽频带压电陶瓷驱动电源[J].压电与声光，2009，31（3）：150-153.
[6] 汝长海，荣伟彬，孙立宁，等.基于电荷控制压电陶瓷驱动方法的研究进展[J].压电与声光，2004，26（1）：83-86.
[7] NORAS M， MCANN P， KIERES J. A charge feedback controller for a piezoelectric voltage amplifier/driver [J]. Hetero-geneus Ingegration of Materials for Passive Components and Smart Systems， MRS Symposium Proceedings， 2007：969.
[8] Ting Yung， JAR H C， Lin Chungyi， et al. A new type of parts feeder driven by bimorph piezo actuator[J]. ELSEVIER， 2005，43（7）： 566-573.