專利名稱：一種動態(tài)壓電或電致伸縮陶瓷驅(qū)動電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電陶瓷及電致伸縮陶瓷的驅(qū)動電源電路，特別是壓電陶瓷和電致伸縮陶瓷的動態(tài)驅(qū)動技術(shù)。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷微位移器是新型的微位移器件，在精密定位、微機電系統(tǒng)、納米制造技術(shù)、納米生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。壓電陶瓷的驅(qū)動離不開壓電陶瓷驅(qū)動電源，壓電陶瓷等效于容性負(fù)載，而單個壓電陶瓷的位移量很小，所以，在實際應(yīng)用中，常使用多個壓電陶瓷按一定的方式組合而成壓電陶瓷堆。這樣，壓電陶瓷的電容就會更大，如我們從電子工業(yè)部26所購買的壓電陶瓷微位移器的電容量達(dá)4.7UF。對于強容性負(fù)載，提高壓電陶瓷的驅(qū)動器的動態(tài)性能，必須提高壓電陶瓷的峰值電流。而電壓的驅(qū)動電壓范圍很大，電路需要的耗散的功率很高，而過去的壓電陶瓷驅(qū)動器的設(shè)計更多的注重于靜態(tài)性能，驅(qū)動器提供的峰值電流、峰值的功率不夠，導(dǎo)致驅(qū)動器的頻率響應(yīng)不高，限制了壓電陶瓷微位移在復(fù)雜控制、高速實時場合的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決以上問題，在高壓放大電路的驅(qū)動極進(jìn)行了特別的設(shè)計，采用了多組MOS管組驅(qū)動和高壓運算放大器相結(jié)合的方法，提高了壓電陶瓷驅(qū)動器的充放電電流，并給出了一種可靠性高，動、靜態(tài)性能良好的壓電或電致伸縮陶瓷驅(qū)動電源電路。
本壓電陶瓷或電致伸縮驅(qū)動電源電路包括數(shù)字信號處理器、RS232接口電路、鍵盤及顯示電路、控制電壓輸入電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、高壓放大電路。RS232接口電路和鍵盤及顯示電路的輸出端分別接數(shù)字信號處理器的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端控制電壓信號，輸出端接數(shù)字信號處理器的輸入端，數(shù)字信號處理器的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端接高壓放大電路的輸入端，高壓放大電路的輸出端接壓電或電致伸縮陶瓷L的正極，負(fù)極接低電壓端LV。
上述的高壓放大電路由集成的高壓運算放大器U1和采樣電阻R2、R3組成，R2的一端接地，另一端接電阻R3的一端。R3的另一端接壓電陶瓷L的正極。高壓放大電路6的輸出端接功率驅(qū)動電路的輸出端，同時，輸出端接壓電或電致伸縮陶瓷L的正極。
所述的功率驅(qū)動電路由如下兩種形式第一種驅(qū)動電路由PMOS管替換電路和多組NMOS的場效益管對組成，每一組的場效應(yīng)管由PMOS管替換電路、過流保護(hù)電路、NMOS管驅(qū)動電路組成，單組的NMOS管驅(qū)動電路由M2、M3、R7、R8、R11、R9組成。
驅(qū)動電路的另一種形式是由多組的場效應(yīng)管構(gòu)成，單組的MOS管包括M8、M9、R23、R25、R26、R27、R24。
本電路實現(xiàn)的壓電陶瓷驅(qū)動電源的特點是輸出電壓范圍大，頻率響應(yīng)高、穩(wěn)定性好、溫漂小、控制方便。特別是可根據(jù)實際需要，改變功率驅(qū)動電路并聯(lián)MOS管對的數(shù)目，提高電路充放電電流的能力和功率耗散的能力，從而提高電路的動態(tài)性能。


圖1為本發(fā)明實施實例1的電路結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明實施實例2的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明實施實例1的不同負(fù)載下的頻率響應(yīng)圖
具體實施例方式實施例1如圖1所示壓電陶瓷驅(qū)動電源電路包括數(shù)字信號處理器1、RS232接口電路2、鍵盤及顯示接口電路3、控制電壓輸入電路4、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4-1、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路5、高壓放大電路6。具體連接方式如下計算機及RS232接口電路2的輸出端接數(shù)字信號處理器1的輸入端，鍵盤及顯示接口電路3的輸出端接數(shù)字信號處理器1的輸入端，外接模擬輸入信號4的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4-1的輸入端，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路4-1的輸出端接數(shù)字信號處理器1的輸入端，數(shù)字信號處理器1的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5的輸出端接高壓放大電路6的輸入端，高壓放大電路6的輸出端接壓電陶瓷L的正極，壓電陶瓷L負(fù)極接負(fù)電壓端LV。
高壓放大電路6由集成的高壓運算放大器U1和采樣電阻R2、R3組成，R2的一端接地，另一端接電阻R3的一端。R3的另一端接壓電陶瓷L的正極。高壓放大電路6的輸出端接功率驅(qū)動電路7的輸出端，同時，接壓電陶瓷L的正極。
功率驅(qū)動電路7由3路的場效益管對組成它由PMOS管替換電路7-1、過流保護(hù)電路7-2、NMOS管驅(qū)動電路7-3組成，其中PMOS管替換電路7-1，PMOS管M1的柵極接電阻R4的一端，R4的另一端接高壓運算放大器U1的輸出端，M1的源極接電阻R5的一端，R5的另一端接電壓放大電路的輸出端，M1的漏極接電阻R6和R8公共端，R6的另一端接地。單組的NMOS管驅(qū)動電路7-3由M2、M3、R7、R8、R11、R9組成，連接關(guān)系是M2的漏極接高電壓端HV，柵極接電阻R7的一端，源極接電阻R9的一端，電阻R7的一端接高壓運算放大器U1的輸出端，R9的另一端接電阻R10的一端，R10接M3的漏極，R9同時接電阻R5和壓電陶瓷L的正極，M3的柵極接電阻R8的一端，源極接電阻R11的一端，R11的另一端接低電壓端。過流保護(hù)電路7-2由T1、T2、D1、D2、R9、R10組成，T1的基極接電阻R9的一端，發(fā)射極接電阻R9的另一端，集電極接二極管D1的負(fù)極，D1的正極接高壓運算放大器U1的輸出端，T2的基極接電阻R10的一端，發(fā)射極接R10的另一端，集電極接D2的一端，D2的另一端接高壓運算放大器U1的輸出端。另外兩組的場效益管對的結(jié)構(gòu)與7-2、7-3類似，它們的公共端是R9、R13、R18、R10、R14、R20、壓電陶瓷L的正端的公共點。
由于超過300V大功率封裝P型MOS管比較少見，電路采用了準(zhǔn)互補對稱的功率輸出級，電路中只用了一個PMOS管，其功率要求很小，其余的場效益管都是大功率的NMOS管，這樣，壓電陶瓷的電源電壓輸出范圍可達(dá)數(shù)百伏。同時，由于傳統(tǒng)的單組的場效益管對所能傳遞的功率最高僅有100W左右，且單個場效益管上的功耗過大，其散熱會是一個很大的問題，因而采用多組的場效益管對并聯(lián)驅(qū)動壓電陶瓷，在每一個場效益管上安裝散熱器，這樣，電路峰值的輸出功率最高可達(dá)數(shù)百瓦(而國內(nèi)的壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出功率一般都小于100W)，相應(yīng)的，驅(qū)動容性負(fù)載時的峰值電流、動態(tài)性能可以得到成倍的提高，從而滿足壓電陶瓷在高速、實時場合下的應(yīng)用。用高壓運算放大器作為放大電路的核心，其線性度好、精度高，且不容易產(chǎn)生自激振蕩、可靠性高。
所示的壓電陶瓷驅(qū)動電源，采用的高壓的集成運放作為放大電路的核心，采用三組NMOS管對作為功率輸出級，高電壓端HV接+210V，低電壓端LV接-10V，則每一組場效益管傳遞的峰值電流為0.25A，則每一個的場效益管所消耗的峰值功耗最高為55W，電容總的充放電的電流為0.75A，則總的峰值功耗近170W，驅(qū)動負(fù)載電容為4.7UF的壓電陶瓷，峰峰值為200V，3DB衰減頻率響應(yīng)可達(dá)200HZ，從0V到150V的階躍響應(yīng)，響應(yīng)時間不到1ms。電路的放大倍數(shù)為40倍。附圖3為本發(fā)明實施實例1的不同負(fù)載下的頻率響應(yīng)圖。
數(shù)字信號處理器作為壓電陶瓷驅(qū)動電源的核心可以更方便的利用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生壓電陶瓷實際應(yīng)用中(如光掃描器)所需要的各種波形，如三角波、方波、正旋波等波形。同時數(shù)字信號處理器處理能力強、實時性好，非常適合壓電陶瓷在高速、復(fù)雜控制場合下的應(yīng)用。
實施例2例2與例1的區(qū)別在于驅(qū)動電路不同，實施例2的驅(qū)動電路如圖2所示，功率驅(qū)動電路7有三組的場效應(yīng)管構(gòu)成，單組的MOS管7-1包括M8、M9、R23、R25、R26、R27、R24，具體連接關(guān)系是M8的柵極接R23的一端，R23的另一端接高壓運算放大器U1的輸出端，M8的漏極接高電壓端HV，M8的源極接電阻R25的一端和T7基極的公共點，R25的另一端接R26的一端，同時接R22的一端，R26的另一端接M9的源極，M9的柵極接R24的一端，R24的另一端接高壓運算放大器U1的輸出端，M3的漏極接電阻R27的一端，R27的另一端接低電壓端LV。另外的兩組驅(qū)動場效益管對與此類似，它們的公共端是R25、R29、R34、R26、R30、R35、壓電陶瓷L正端的公共點。實施例2可以同樣達(dá)到實施例1的效果，但是，必須要采用高壓PMOS管。
權(quán)利要求
1.一種動態(tài)壓電或電致伸縮陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于它包括數(shù)字信號處理器(1)、RS232接口電路(2)、鍵盤及顯示電路(3)、控制電壓輸入電路(4)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(4-1)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(5)和高壓放大電路(6)，具體連接方式如下RS232接口電路(2)和鍵盤及顯示電路(3)的輸出端分別接數(shù)字信號處理器(1)的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(4-1)的輸入端接控制電壓輸入電路(4)，輸出端接數(shù)字信號處理器(1)的輸入端，數(shù)字信號處理器(1)的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(5)的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(5)的輸出端接高壓放大電路(6)的輸入端，高壓放大電路(6)的輸出端接壓電或電致伸縮陶瓷的正極，壓電或電致伸縮陶瓷的負(fù)極接低電壓端LV。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于高壓放大電路(6)由集成的高壓運算放大器U1和采樣電阻R2、R3組成，R2的一端接地，另一端接電阻R3的一端；R3的另一端接壓電或電致伸縮陶瓷的正極；高壓放大電路(6)的輸出端接功率驅(qū)動電路(7)的輸出端，同時接壓電或電致伸縮陶瓷的正極；由高壓運算放大器U1和功率驅(qū)動電路(7)組合驅(qū)動壓電陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于功率驅(qū)動電路(7)采用多組場效益管對來驅(qū)動壓電陶瓷，功率驅(qū)動電路的任何一組中的任何一個支路都含有獨立的過流保護(hù)電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于所述的功率驅(qū)動電路(7)由PMOS管替換電路(7-1)和多組NMOS的場效益管對組成；PMOS管替換電路(7-1)連接關(guān)系如下PMOS管M1的柵極接電阻R4的一端，R4的另一端接高壓運算放大器U1的輸出端，PMOS管M1的源極接電阻R5的一端，R5的另一端接高壓運算放大器U1的輸出端，M1的漏極接電阻R6和R8公共端，R6的另一端接地；每一組NMOS的場效應(yīng)管對由過流保護(hù)電路(7-2)、NMOS管驅(qū)動電路(7-3)組成，單組的NMOS管驅(qū)動電路(7-3)由M2、M3、R7、R8、R11、R9組成，連接關(guān)系是M2的漏極接高電壓端HV，柵極接電阻R7的一端，源極接電阻R9的一端，電阻R7的一端接高壓運算放大器U1的輸出端，R9的另一端接電阻R10的一端，R10的另一端接M3的漏極，R9同時接電阻R5和壓電陶瓷的正極，M3的柵極接電阻R8的一端，源極接電阻R11的一端，R11的另一端接低電壓端LV。其余的驅(qū)動場效益管對與此類似，它們的公共端是R9、R13、R18、R10、R14、R20、壓電陶瓷正極的公共點。
5.根據(jù)權(quán)利要求書3所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于功率驅(qū)動電路(7)由多組的互補對稱場效益管對構(gòu)成，其連接關(guān)系如下單組的MOS管(7-1)包括M8、M9、R23、R25、R26、R27、R24，具體連接關(guān)系是M8的柵極接R23的一端，R23的另一端接高壓運算放大器U1的輸出端，M8的漏極接高電壓端HV，M8的源極接電阻R25的一端和T7基極的公共點，R25的另一端接R26的一端，同時接R22的一端，R26的另一端接M9的源極，M9的柵極接R24的一端，R24的另一端接高壓運算放大器U1的輸出端，M3的漏極接電阻R27的一端，R27的另一端接低電壓端LV；另外的兩組驅(qū)動場效益管對與此相同，它們的公共端是R25、R29、R34、R26、R30、R35、壓電陶瓷L正端的公共點。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其特征在于所述的過流保護(hù)電路(7-2)由T1、T2、D1、D2、R9、R10組成，T1的基極接電阻R9的一端，發(fā)射極接電阻R9的另一端，集電極接二極管D1的負(fù)極，D1的正極接高壓運放U1的輸出端，T2的基極接電阻R10的一端，發(fā)射極接R10的另一端，集電極接D2的一端，D2的另一端接高壓運放U1的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷的驅(qū)動電源，它包括RS232口接口電路、數(shù)字信號處理器(DSP)、鍵盤及顯示接口電路、高壓穩(wěn)壓電路、高壓放大電路和驅(qū)動電路等。RS232接口電路和鍵盤及顯示電路的輸出端分別接數(shù)字信號處理器的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端控制電壓信號，輸出端接數(shù)字信號處理器的輸入端，數(shù)字信號處理器的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端接高壓放大電路的輸入端，高壓放大電路的輸出端接壓電或電致伸縮陶瓷L的正極，負(fù)極接低電壓端LV。本發(fā)明采用數(shù)字信號處理器作為核心，驅(qū)動電路采用多組MOS管對并聯(lián)構(gòu)成，峰值電流、功率大，電路具有動態(tài)響應(yīng)好、可靠性高、零漂小、精度高、調(diào)節(jié)方便等特點。
文檔編號H02N2/14GK101043186SQ20061005458
公開日2007年9月26日 申請日期2006年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日
發(fā)明者王代華, 丁文明 申請人:重慶大學(xué)