一种容性负载驱动电路及压电陶瓷驱动电源的制作方法

1.本实用新型属于驱动电源技术领域，具体地说，是涉及一种用于驱动容性负载的电源电路。


背景技术：

2.容性负载一般是指带电容参数的负载，即，符合电流超前电压特性的负载。压电陶瓷就是一种容性负载，具有压电特性，是一种能够将机械能和电能互相转换的陶瓷材料，现阶段主要用于制造换能器、滤波器、高压发生器、马达等电子产品。
3.很多压电陶瓷类产品属于大容值容性负载，容值可达3μf以上，在设计其驱动电路时，需要具备较高的带载能力。而传统的驱动电源，一般采用驱动芯片进行电路设计，由于驱动芯片的带载能力有限，应用在大容值容性负载上，无法达到理想的驱动效果。因此，针对大容值容性负载，需要设计专门的驱动电路，以满足带载需求。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种容性负载驱动电路，以解决采用驱动芯片设计的驱动电路无法对大容值容性负载实现理想驱动的问题。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
6.在一个方面，本实用新型提出了一种容性负载驱动电路，包括直流供电电源、一级运算放大器、二级运算放大器和逆变电路；其中，所述直流供电电源用于提供直流母线电压；所述一级运算放大器对自定义的低压驱动信号进行波形偏置和幅值放大，输出第一高压驱动信号；所述二级运算放大器对所述一级运算放大器输出的第一高压驱动信号进行波形反相跟随，输出第二高压驱动信号；所述逆变电路在所述第一高压驱动信号和第二高压驱动信号的开关控制下，将所述直流母线电压逆变成交变电压，作用于容性负载的两极，以驱动所述容性负载。
7.在本技术的一些实施例中，可以配置所述一级运算放大器的反相输入端接收所述自定义的低压驱动信号，一级运算放大器的同相输入端接收直流偏置电压，输出端通过反馈电阻连接所述一级运算放大器的反相输入端。这样，通过一级运算放大器的输出端输出的第一高压驱动信号的波形是以偏置电压为相对0点，波形方向与所述低压驱动信号的波形方向相反但幅值变大的高压正弦波或者高压脉冲波，以满足对逆变电路的驱动要求。
8.在本技术的一些实施例中，可以在所述一级运算放大器的反相输入端上串联隔直电容，将所述自定义的低压驱动信号经由所述隔直电容隔离掉其中的直流成分后，再传输至所述一级运算放大器的反相输入端，由此可以改善通过所述一级运算放大器输出的第一高压驱动信号的波形质量，从而对容性负载达到更好的驱动效果。
9.在本技术的一些实施例中，可以配置所述二级运算放大器通过其反相输入端接收所述一级运算放大器输出的第一高压驱动信号，二级运算放大器的同相输入端接收所述直流偏置电压，输出端通过反馈电阻连接所述二级运算放大器的反相输入端。这样，通过二级
运算放大器的输出端输出的第二高压驱动信号的波形与第一高压驱动信号的波形反相，即，形成以偏置电压为相对0点，波形方向与所述低压驱动信号的波形方向相同但幅值变大的高压正弦波或者高压脉冲波。利用波形相反的第一高压驱动信号和第二高压驱动信号驱动逆变电路中的功率开关管通断，以将直流母线电压逆变成具有更高带载能力的驱动电源，以实现对大容值容性负载的有效驱动。
10.在本技术的一些实施例中，可以将所述一级运算放大器和二级运算放大器的电源端连接至所述直流供电电源，利用直流供电电源输出的直流母线电压为所述一级运算放大器和二级运算放大器供电。
11.在本技术的一些实施例中，优选配置所述直流偏置电压为所述直流母线电压的一半，这样可以使通过逆变电路输出的差分电压更高，带载能力更强，以满足大容值容性负载的驱动需求。
12.在本技术的一些实施例中，可以利用所述直流供电电源获取所需的直流偏置电压，具体而言，可以在所述直流供电电源上连接分压网络，利用所述分压网络对所述直流供电电源输出的直流母线电压进行分压后，输出所述直流偏置电压。调整分压网络中的分压元器件的参数，即可获得所需幅值的直流偏置电压。
13.在本技术的一些实施例中，为了获得交变电压，可以将所述逆变电路配置为h桥逆变电路，包括第一桥臂和第二桥臂；其中，可以配置第一桥臂的门极接收所述一级运算放大器输出的第一高压驱动信号，输出极连接容性负载的负极；配置第二桥臂的门极接收所述二级运算放大器输出的第二高压驱动信号，输出极连接容性负载的正极。通过第一桥臂的输出极和第二桥臂的输出极输出交变电压，施加到容性负载的两极，以实现对容性负载的驱动。
14.在本技术的一些实施例中，可以采用mos管设计所述逆变电路，具体而言，可以在所述第一桥臂和第二桥臂中分别配置一个nmos管和一个pmos管；其中，在第一桥臂中，配置nmos管的漏极接收所述直流母线电压，源极连接pmos管的源极，并与容性负载的负极相连接，将pmos管的漏极接地，nmos管和pmos管的门极接收所述第一高压驱动信号；在第二桥臂中，配置nmos管的漏极接收所述直流母线电压，源极连接pmos管的源极，并与容性负载的正极相连接，将pmos管的漏极接地，nmos管和pmos管的门极接收所述第二高压驱动信号。利用第一高压驱动信号和第二高压驱动信号控制两个桥臂中的nmos管和pmos管交替通断，以实现从直流母线电压到交变电压的逆变。
15.在另一个方面，本实用新型还提出了一种压电陶瓷驱动电源，包括直流供电电源、一级运算放大器、二级运算放大器和逆变电路；其中，所述直流供电电源用于提供直流母线电压；所述一级运算放大器对自定义的低压驱动信号进行波形偏置和幅值放大，输出第一高压驱动信号；所述二级运算放大器对所述一级运算放大器输出的第一高压驱动信号进行波形反相跟随，输出第二高压驱动信号；所述逆变电路在所述第一高压驱动信号和第二高压驱动信号的开关控制下，将所述直流母线电压逆变成交变电压，作用于压电陶瓷类产品的两极，以驱动所述压电陶瓷类产品。
16.与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果主要体现在：
17.本实用新型采用两级运放配合逆变电路设计驱动电源，利用一级运算放大器对自定义的低压驱动信号进行波形放大，以获得高压驱动信号输出。利用二级运算放大器对一
级运算放大器输出的高压波形进行反相跟随，以获得反相高压驱动信号。利用两级运算放大器输出的波形相反的两路高压驱动信号对逆变电路进行开关控制，以通过逆变电路将直流供电电源提供的直流母线电压逆变成具有较高带载能力的交变电压，作用于容性负载的两极，以实现对容性负载的驱动。
18.本实用新型利用逆变电路提升驱动电路的带载能力，驱动能力可达10μf以上，完全可以满足大容值容性负载，特别是压电陶瓷类产品的驱动需求，并达到理想的驱动效果。
19.采用本实用新型的驱动电路构建方式，可以根据实际需求自定义低压驱动波形，以满足不同类型容性负载的驱动需求，应用领域广，适用性强。
20.结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1 是本实用新型所提出的容性负载驱动电路的一种实施例的电路原理框图；
23.图2是本实用新型所提出的容性负载驱动电路的一种实施例的具体电路原理图。
实施方式
24.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
25.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是直接连接，也可以是间接连接，或者是元器件的内部连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
26.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
27.在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
28.本实施例为了满足大容值的容性负载，特别是压电陶瓷类产品的驱动要求，在容性负载驱动电路中配置高压运放对自定义的低压驱动信号进行波形放大，利用逆变电路提升带载能力，生成交变电压施加于容性负载的两极，以实现对大容值容性负载的驱动。
29.如图1所示，本实施例的高压运放配置有两级，一级运算放大器用于接收自定义的低压驱动信号，通过增益配置，获得高压波形输出，标记为第一高压驱动信号outa。
30.这里的低压驱动信号可以由驱动电路所在系统的mcu提供，也可以由信号发生器生成，其电压波形可以根据实际使用需要自行定义，以达到满足不同类型容性负载驱动要
求的设计目的。
31.将一级运算放大器输出的第一高压驱动信号outa分成两路，一路通过逆变电路驱动容性负载load的负极（n端），另一路作为二级运算放大器的输入，通过配置二级运算放大器的增益，使其工作在反相跟随状态，以输出第二高压驱动信号outb，通过逆变电路驱动容性负载load的正极（p端）。
32.理论上来讲，outa=-outb，即，通过两级运放输出的两路高压驱动信号outa、outb的电压波形幅值相等，相位相反，共同对逆变电路中的功率开关管进行开关控制，以将直流母线电压逆变成交变电压，对容性负载load进行驱动。
33.在本实施例中，逆变电路可以配置成h桥，直流侧连接直流供电电源，接收直流供电电源提供的直流母线电压，交流侧in_n、in_p对应连接至容性负载load的两极，为容性负载load提供交变电压，通过逆变电路提高驱动电路的带载能力，以实现对容性负载load的可靠驱动。
34.下面结合图2，对本实施例的容性负载驱动电路中各分立器件的具体线路连接关系进行详细阐述。
35.图2中，u6为一级运算放大器；u7为二级运算放大器；q1-q4组成h桥逆变电路；vbus_26v为直流供电电源；vbus_13v为直流偏置电压；mcu_dac_in为低压驱动信号接入端子；in_p、in_n为交变电压输出端子。
36.在将本实施例的容性负载驱动电路应用在系统电路中时，低压驱动信号接入端子mcu_dac_in可以连接系统中mcu的dac接口，用户根据实际使用需求，通过mcu的dac接口输出自定义的低压驱动信号。该低压驱动信号为模拟信号，波形呈正弦波或脉冲波，电压峰值较低，一般为5v或3.3v，无法驱动容值在3μf以上的容性负载。
37.为了实现对大容值容性负载的理想驱动，本实施例利用一级运算放大器u6对mcu输出的低压驱动信号进行波形放大，利用h桥逆变电路提升带载能力。
38.具体而言，可以利用一级运算放大器u6的反相输入端-in接收mcu输出的低压驱动信号。为了提高驱动信号的波形质量，可以首先在一级运算放大器u6的反相输入端-in上串联隔直电容c1和限流电阻r1。通过mcu输出的低压驱动信号，首先经由隔直电容c1隔离掉其中的直流成分后，再通过限流电阻r1传输至一级运算放大器u6的反相输入端-in。配置一级运算放大器u6的同相输入端+in接收直流偏置电压vbus_13v，用于为一级运算放大器u6输出的驱动波形提供电压偏置。配置一级运算放大器u6的电源端v+接收直流供电电源vbus_26v提供的直流母线电压lt_pvcc，所述直流母线电压lt_pvcc可以是直流供电电源vbus_26v经由电容c57进行滤波处理后的直流电压。
39.将一级运算放大器u6的输出端out通过反馈电阻r30连接至一级运算放大器u6的反相输入端-in，通过调整一级运算放大器u6的增益，使通过一级运算放大器u6的输出端out输出的第一高压驱动信号outa的波形为：以直流偏置电压vbus_13v为相对0点，波形方向与mcu输出的低压驱动信号的波形方向相同但幅值变大的高压正弦波或者高压脉冲波。
40.将一级运算放大器u6输出的第一高压驱动信号outa经由限流电阻r3传输至二级运算放大器u7的反相输入端-in, 配置二级运算放大器u7的同相输入端+in接收直流偏置电压vbus_13v，输出端out通过反馈电阻r4连接至二级运算放大器u7的反相输入端-in。与调整二级运算放大器u7的增益为1，使二级运算放大器u7工作在反相跟随模式，输出与第一
高压驱动信号outa波形相反、幅值相同的第二高压驱动信号outb。
41.在本实施例中，直流偏置电压vbus_13v应小于等于直流母线电压lt_pvcc的一半。例如，对于26v的直流母线电压，可以配置直流偏置电压小于等于13v。为了在直流母线电压lt_pvcc确定的情况下，尽可能地提升驱动电路的带载能力，优选配置直流偏置电压vbus_13v等于直流母线电压lt_pvcc的一半，例如，对于26v的直流母线电压，配置直流偏置电压等于13v，这样通过h桥输出的差分电压最高，可以达到
±
13v，带载能力最强。
42.作为一种优选实施方式，所述直流偏置电压vbus_13v可以由直流供电电源vbus_26v分压生成。例如，可以在驱动电路中设置分压网络，连接直流供电电源vbus_26v，对直流供电电源vbus_26v提供的直流母线电压lt_pvcc进行分压处理，生成所需幅值的直流偏置电压vbus_13v。
43.具体而言，可以在分压网络中设置两个阻值相等的分压电阻r11、r12，将两个分压电阻r11、r12串联后，连接在直流供电电源vbus_26v与地之间。这样，通过两个分压电阻r11、r12的中间节点便可输出幅值等于直流母线电压lt_pvcc一半的直流偏置电压vbus_13v，分别经由限流电阻r5、r6传输至一级运算放大器u6和二的级运算放大器u7的同相输入端+in，为两级运放的输出波形提供电压偏置，进而形成以直流偏置电压vbus_13v为相对0点，正负半周波形完全反相的两路高压驱动信号outa、outb，实现对h桥逆变电路的开关控制。
44.当然，也可以通过调整分压电阻r11、r12的阻值，生成其它幅值的直流偏置电压vbus_13v。
45.本实施例在h桥逆变电路中配置有四个功率开关管q1~q4，形成两个桥臂。第一桥臂接收一级运算放大器u6输出的第一高压驱动信号outa，第二桥臂接收二级运算放大器u7输出的第二高压驱动信号outb，通过第一桥臂和第二桥臂输出交变电压，作用于容性负载的两端，以实现对容性负载的驱动。
46.本实施例以mos管为例，对h桥逆变电路的具体构建方式及工作原理进行详细阐述。
47.如图2所示，本实施例在第一桥臂中配置有一个nmos管q1和一个pmos管q2，将nmos管q1和pmos管q2的门极g连接至一级运算放大器u6的输出端out，接收一级运算放大器u6输出的第一高压驱动信号outa。配置nmos管q1的漏极d接收直流供电电源vbus_26v提供的直流母线电压，nmos管q1的源极s连接pmos管q2的源极s，pmos管q2的漏极接地。将nmos管q1的源极s和pmos管q2的源极s连接至驱动电路的输出端子in_n，通过输出端子in_n连接容性负载的负极（n端）。
48.同理，在第二桥臂中也配置有一个nmos管q3和一个pmos管q4，将nmos管q3和pmos管q4的门极g连接至二级运算放大器u7的输出端out，接收二级运算放大器u7输出的第二高压驱动信号outb。配置nmos管q3的漏极d接收直流供电电源vbus_26v提供的直流母线电压，nmos管q3的源极s连接pmos管q4的源极s，pmos管q4的漏极接地。将nmos管q3的源极s和pmos管q4的源极s连接至驱动电路的输出端子in_p，通过输出端子in_p连接容性负载的正极（p端）。
49.由于第一高压驱动信号outa和第二高压驱动信号outb的波形方向相反，当第一高压驱动信号outa的波形处于正半周时，第二高压驱动信号outb的波形处于负半周。此时，第
一桥臂中的nmos管q1导通，pmos管q2截止；第二桥臂中的nmos管q3截止，pmos管q4导通。在此期间，电流由直流供电电源vbus_26v
→
nmos管q1
→
容性负载
→
pmos管q4
→
地。
50.反之，当第一高压驱动信号outa的波形处于负半周时，第二高压驱动信号outb的波形处于正半周。此时，第一桥臂中的nmos管q1截止，pmos管q2导通；第二桥臂中的nmos管q3导通，pmos管q4截止。在此期间，电流由直流供电电源vbus_26v
→
nmos管q3
→
容性负载
→
pmos管q2
→
地。
51.由此，实现对容性负载的驱动。
52.在本实施例中，h桥中采用快速晶闸管、可关断晶闸管（gto）、功率晶体管（gtr）、功率场效应晶体管（mosfet）、绝缘栅晶体管（igbt）等多种类型的功率开关管搭建而成，本实施例对此不进行具体限制。
53.可以将本实施例的驱动电路封装为压电陶瓷驱动电源，专为压电陶瓷类产品供电。在这种情况下，可以利用信号发生器生成所需的低压驱动信号，传输至压电陶瓷驱动电源的低压驱动信号接入端子mcu_dac_in，将压电陶瓷类产品的两极与驱动电源的交变电压输出端子in_p、in_n对应连接，利用压电陶瓷驱动电源实现对压电陶瓷类产品的驱动。
54.当然，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，但是，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种容性负载驱动电路，其特征在于，包括：直流供电电源，其用于提供直流母线电压；一级运算放大器，其对自定义的低压驱动信号进行波形偏置和幅值放大，输出第一高压驱动信号；二级运算放大器，其对所述一级运算放大器输出的第一高压驱动信号进行波形反相跟随，输出第二高压驱动信号；逆变电路，其在所述第一高压驱动信号和第二高压驱动信号的开关控制下，将所述直流母线电压逆变成交变电压，作用于容性负载的两极，以驱动所述容性负载。2.根据权利要求1所述的容性负载驱动电路，其特征在于，所述一级运算放大器通过其反相输入端接收所述自定义的低压驱动信号，一级运算放大器的同相输入端接收直流偏置电压，输出端输出所述第一高压驱动信号，并通过反馈电阻连接所述一级运算放大器的反相输入端。3.根据权利要求2所述的容性负载驱动电路，其特征在于，在所述一级运算放大器的反相输入端上串联有隔直电容，所述自定义的低压驱动信号经由所述隔直电容隔离掉其中的直流成分后，传输至所述一级运算放大器的反相输入端。4.根据权利要求2所述的容性负载驱动电路，其特征在于，所述二级运算放大器通过其反相输入端接收所述一级运算放大器输出的第一高压驱动信号，二级运算放大器的同相输入端接收所述直流偏置电压，输出端输出所述第二高压驱动信号，并通过反馈电阻连接所述二级运算放大器的反相输入端。5.根据权利要求1所述的容性负载驱动电路，其特征在于，所述一级运算放大器和二级运算放大器的电源端连接所述直流供电电源。6.根据权利要求2至4中任一项所述的容性负载驱动电路，其特征在于，所述直流偏置电压为所述直流母线电压的一半。7.根据权利要求6所述的容性负载驱动电路，其特征在于，所述直流供电电源连接分压网络，所述分压网络对所述直流供电电源输出的直流母线电压进行分压后，输出所述直流偏置电压。8.根据权利要求1至5中任一项所述的容性负载驱动电路，其特征在于，所述逆变电路为h桥逆变电路，包括第一桥臂和第二桥臂；所述第一桥臂的门极接收所述一级运算放大器输出的第一高压驱动信号，输出极连接容性负载的负极；所述第二桥臂的门极接收所述二级运算放大器输出的第二高压驱动信号，输出极连接容性负载的正极。9.根据权利要求8所述的容性负载驱动电路，其特征在于，在所述第一桥臂和第二桥臂中分别配置有一个nmos管和一个pmos管；在第一桥臂中，nmos管的漏极接收所述直流母线电压，源极连接pmos管的源极，并与容性负载的负极相连接，pmos管的漏极接地，nmos管和pmos管的门极接收所述第一高压驱动信号；在第二桥臂中，nmos管的漏极接收所述直流母线电压，源极连接pmos管的源极，并与容性负载的正极相连接，pmos管的漏极接地，nmos管和pmos管的门极接收所述第二高压驱动
信号。10.一种压电陶瓷驱动电源，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的容性负载驱动电路，所述容性负载为压电陶瓷类产品。

技术总结
本实用新型公开了一种容性负载驱动电路及压电陶瓷驱动电源，包括提供直流母线电压的直流供电电源、两级运放和逆变电路；其中，一级运放用于对自定义的低压驱动信号进行波形偏置和幅值放大，输出第一高压驱动信号；二级运放用于对一级运放输出的第一高压驱动信号进行波形反相跟随，输出第二高压驱动信号；逆变电路在第一高压驱动信号和第二高压驱动信号的开关控制下，将直流母线电压逆变成交变电压，作用于容性负载的两极，以驱动容性负载。本实用新型利用高压运放对低压驱动信号进行波形放大，利用逆变电路提升带载能力，驱动能力可达10μF以上，完全可以满足大容值容性负载，特别是压电陶瓷类产品的驱动需求，并达到理想的驱动效果。的驱动效果。的驱动效果。


技术研发人员：请求不公布姓名 李东 陈雷 高金浩 请求不公布姓名 请求不公布姓名
受保护的技术使用者：歌尔股份有限公司
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/9/3