一種壓電陶瓷驅動電路設計

孫慶旭 朱興邦 李超 韓忠

摘? 要：簡述了壓電陶瓷微位移器的驅動原理，介紹了微位移器的性能和應用情況;針對壓電陶瓷驅動電路的特點，設計了一種可動態應用的驅動電源，并給出了詳細的電路原理圖。以MSP430和DRV2700為核心器件，以及相關電路構成電壓控制型驅動電源。介紹了主要模塊電路的功能和實現，并對驅動電源進行測試。結果表明該電源具有線性度高、分辨率高、輸出紋波小等優點。

關鍵詞：壓電陶瓷;高壓驅動;DRV2700

中圖分類號：TN86 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）34-0004-04

Abstract： In this paper， the driving principle of piezoelectric ceramic micro displacement device is briefly introduced， and its performance and application are introduced. According to the characteristics of piezoelectric ceramic driving circuit， a dynamic driving power supply is designed， and the detailed circuit diagram is given. MSP430 and DRV2700 are the core devices， and the related circuits constitute the voltage controlled driving power supply. The function and Realization of the main module circuit are introduced， and the driving power supply is tested. The results show that the power supply has the advantages of high linearity， high resolution and small output ripple.

Keywords： piezoelectric ceramics; high voltage drive; DRV2700

引言

當在電介質的極化方向施加電場，這些電介質就在一定方向上產生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失，這種對電介質施加交變電場引起電介質機械變形的現象，稱為逆壓電效應[1]。壓電陶瓷微位移器即是利用此效應制成的，具有分辨率高、體積小、響應快、推力大等優點，廣泛應用于微位移輸出裝置、力發生裝置、機器人、沖擊電機、光學掃描等重要領域[2]。微位移定位要求壓電陶瓷驅動電源具有低紋波、高頻率響應和快速的動態響應，因此驅動電源的性能指標直接影響微位移器的精密位移輸出。壓電陶瓷驅動器驅動電源可分為電壓控制型和電荷控制型[3]，本文的設計屬于電壓控制型驅動電路。設計目標為驅動電源可輸出（0～200）V連續可調電壓，靜態紋波小于20mV，分辨率小于30mV。

1 壓電陶瓷驅動電路組成

如圖1所示，驅動電路主要功能模塊由上位機，微處理器，D/A電路，濾波電路和壓電放大模塊組成。

上位機通過串口給微處理器發送指令，微處理器控制D/A電路輸出連續可調模擬電壓;D/A電路輸出的模擬電壓信號經濾波處理后輸入壓電放大模塊，最終輸出符合要求的穩定驅動電壓。

2 壓電陶瓷驅動電路設計

2.1 微處理器

微處理器選用MSP430F5510IRGZ型單片機，MSP430系列單片機具有強大的處理能力、豐富的片上資源、超低的功耗、能夠運行在工業級工作環境、性價比高等特點，被廣泛地應用到工業控制、計算機網絡與通信、智能化儀器儀表、消費類電子等領域。MSP430通過MiniB型USB接口與上位機進行通信，USB接口電路如圖2所示，D+、D-、VBUS信號分別與MSP430的DP、DM、VBUS端口相連接。

2.2 壓電放大模塊

壓電放大模塊是驅動電路的核心，本設計選用TI公司的單芯片壓電驅動器DRV2700，電路結構為Boost電路與OP放大器電路的結合[4]。TI公司的DRV2700是集成了105V升壓開關，功率二極管和全差分放大器的單片壓電式觸覺驅動器，能驅動高壓和低壓壓電負載，輸入信號可以是差分或單端，AC或DC耦合，支持GPIO控制增益：28.8dB、34.8dB、38.4dB、40.7dB。配置兩個外部電阻可以設置升壓電壓。升壓電流限值可通過R（REXT）電阻進行編程。DRV2700器件的啟動時間典型值為1.5ms，是一款理想的壓電驅動器。以DRV2700為核心的壓電驅動模塊如圖3所示。

EN為使能控制端口;GAIN0、GAIN1為增益控制端口，00、01、10 和11分別對應28.8dB、34.8dB、38.4dB和40.7dB增益設置。以上數字控制端口直接與MSP430單片機IO端口連接。IN+端接收來自D/A電路的模擬電壓信號，采用單端連接。OUT+、OUT-為驅動電壓輸出接口，直接驅動負載壓電陶瓷E1。

BST引腳的電壓由電阻R29、R34決定，計算公式如式（1）所示。

VBST=VFB（1+R29/R34） ????????????????（1）

上式中VFB為1.32V，按照要求VOUT=VOUT+-VOUT-=200V，則單端輸出的峰值電壓為100V，BST電壓要求比輸出峰值電壓最少大5V，則VBST取最大升壓電壓105V，根據TI手冊建議，R1、R2的總電阻值需大于500kΩ，則根據式（1）選擇電阻R29=806kΩ，R34=10.2kΩ。

對于電感L11，官方推薦的電感取值范圍為3.3uH到22uH。較高電感值的電感具有較低的飽和電流限制，較低電感值的電感具有較高的飽和電流限制。當選擇較大的電感時，DRV2700升壓變換器自動運行在較低的開關頻率，產生較少的開關損耗。但電感值越大，ESR越高，增加了寄生電感損耗。所以當需要提高升壓轉換器的輸出電流時，較低的電感值是比較好的選擇。本設計選擇電感值為 4.7uH、飽和電流為 2.7A的電感。

REXT端口R35的選擇決定了Boost電路電流的大小，計算公式如式（2）所示。

RREXT=K*VREF/ILIM-RINT ???????????????（2）

其中，K=10500，VREF=1.35V，RINT=60Ω。對于本設計，電感的飽和電流為2.7A，選擇ILIM=2.4A，由式（2）計算可得R35選擇6.04kΩ電阻。

對于DRV2700外圍電路電容的選擇，C34、C35、C36均為電源濾波電容，電容越大輸出電壓紋波越小，一般取值0.1μF，需要注意的是C34作為Boost電路電容，Boost電路的電壓輸出最大為105V，官方推薦最小容值為50nF，本設計選擇耐壓值為250V，容值為0.1μF的瓷介質電容器。C39為芯片內部電荷泵的充電電容，PUMP引腳最大輸出 10V，此處選擇電容值為0.1μF。

2.3 D/A電路

根據設計要求VOUT=VOUT+-VOUT-=200V，則單端輸出的峰值電壓為100V，在滿足峰值電壓輸出的情況下，選擇小的增益有利于增大輸出電壓分辨率，故DRV2700增益在使用時選擇28.8dB增益，轉化成電壓放大倍數即為27.54倍，則IN+端輸入模擬信號電壓VIN最大值至少為

（100/27.54）V=3.63V ????????????????（3）

D/A參考電壓決定其輸出模擬電壓上限，本設計選用ADI公司ADR434基準電壓源芯片，具有吸電流和源電流能力，超低噪聲，輸出參考電壓Vref=4.096V>3.63V，可滿足要求。DAC選用ADI公司的AD5662，具有16位分辨率，是一種單通道低功耗串行輸入緩沖電壓輸出型數模轉換芯片，則輸出電壓分辨率為

VOUT/（216？鄢（VIN/Vref））=3.44mV ?????????（4）

完全可以滿足30mV分辨率的設計要求，D/A部分電路如圖4所示。

ADR434由15V電源供電直接輸出4.096V基準電壓，經濾波電容后輸入AD5662做為參考電壓，AD5662的SYNC引腳、SCLK引腳、DIN引腳分別與MSP430的STE、UCLK、SIMO端口相連接，MSP430通過串口SPI對AD5662進行控制，AOUT引腳將轉換完成的模擬電壓信號輸出。

2.4 濾波電路

濾波電路可以使D/A輸出的模擬信號更加平滑并且可以濾除干擾信號。設計的四階巴特沃斯低通濾波器電路如圖5所示。該濾波電路截止頻率為

fc=1/（2πRC）=9.8kHz ????????????????（5）

3 驅動電路實驗與分析

在實際測試實驗中，主要對驅動電路的輸出線性度及輸出電壓紋波進行測量分析。本設計中，微處理器接收來自上位機的指令控制輸出電壓來驅動壓電陶瓷微位移器的位移，使用上位機設置輸出電壓值，之后使用電壓數字表進行實際輸出電壓測量，測試數據如表1所示。

將實驗測試數據輸入Excel軟件，繪制X-Y圖如圖6所示，線性擬合方程為

y=1.0027x-0.0283 ??????????????（6）

由式（6）可以看出，該驅動電路具有良好的線性。

使用示波器進行輸出電壓紋波測試，設置輸出驅動電壓為200V，紋波測試如圖7所示，紋波電壓不超過20mV，可以滿足要求。

4 總結

本文設計了一種基于壓電驅動芯片DRV2700的壓電陶瓷驅動電路，并對各功能模塊的實現和功能進行了論述，DRV2700的應用簡化了驅動電路的設計，并提高了設計效率與可靠性。實驗表明，該驅動電路有著分辨率高、紋波小、電路結構簡單等優點，對采用壓電陶瓷進行微小位移定位的應用場合具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]韓同鵬，李國平，沈杰.基于壓電陶瓷微位移執行器的精密定位技術研究[J].傳感器與微系統，2010，29（2）：51-53.

[2]朱婷.一種壓電陶瓷微位移器驅動電源研究[J].電子科技，2016，29（5）：13-15.

[3]尹德芹，顏國正，顏德田.壓電陶瓷動態應用的新型驅動電源研究[J].壓電與聲光，2000，22（2）：86-89.

[4]黃世玲.基于DRV2700的壓電陶瓷物鏡驅動器電源設計[J].信息技術與信息化，2019，4：54-55.