一种压电陶瓷驱动电路设计

孙庆旭 朱兴邦 李超 韩忠

摘  要：简述了压电陶瓷微位移器的驱动原理，介绍了微位移器的性能和应用情况;针对压电陶瓷驱动电路的特点，设计了一种可动态应用的驱动电源，并给出了详细的电路原理图。以MSP430和DRV2700为核心器件，以及相关电路构成电压控制型驱动电源。介绍了主要模块电路的功能和实现，并对驱动电源进行测试。结果表明该电源具有线性度高、分辨率高、输出纹波小等优点。

关键词：压电陶瓷;高压驱动;DRV2700

中图分类号：TN86 文献标志码：A 文章编号：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

当在电介質的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种对电介质施加交变电场引起电介质机械变形的现象，称为逆压电效应[1]。压电陶瓷微位移器即是利用此效应制成的，具有分辨率高、体积小、响应快、推力大等优点，广泛应用于微位移输出装置、力发生装置、机器人、冲击电机、光学扫描等重要领域[2]。微位移定位要求压电陶瓷驱动电源具有低纹波、高频率响应和快速的动态响应，因此驱动电源的性能指标直接影响微位移器的精密位移输出。压电陶瓷驱动器驱动电源可分为电压控制型和电荷控制型[3]，本文的设计属于电压控制型驱动电路。设计目标为驱动电源可输出（0～200）V连续可调电压，静态纹波小于20mV，分辨率小于30mV。

1 压电陶瓷驱动电路组成

如图1所示，驱动电路主要功能模块由上位机，微处理器，D/A电路，滤波电路和压电放大模块组成。

上位机通过串口给微处理器发送指令，微处理器控制D/A电路输出连续可调模拟电压;D/A电路输出的模拟电压信号经滤波处理后输入压电放大模块，最终输出符合要求的稳定驱动电压。

2 压电陶瓷驱动电路设计

2.1 微处理器

微处理器选用MSP430F5510IRGZ型单片机，MSP430系列单片机具有强大的处理能力、丰富的片上资源、超低的功耗、能够运行在工业级工作环境、性价比高等特点，被广泛地应用到工业控制、计算机网络与通信、智能化仪器仪表、消费类电子等领域。MSP430通过MiniB型USB接口与上位机进行通信，USB接口电路如图2所示，D+、D-、VBUS信号分别与MSP430的DP、DM、VBUS端口相连接。

2.2 压电放大模块

压电放大模块是驱动电路的核心，本设计选用TI公司的单芯片压电驱动器DRV2700，电路结构为Boost电路与OP放大器电路的结合[4]。TI公司的DRV2700是集成了105V升压开关，功率二极管和全差分放大器的单片压电式触觉驱动器，能驱动高压和低压压电负载，输入信号可以是差分或单端，AC或DC耦合，支持GPIO控制增益：28.8dB、34.8dB、38.4dB、40.7dB。配置两个外部电阻可以设置升压电压。升压电流限值可通过R（REXT）电阻进行编程。DRV2700器件的启动时间典型值为1.5ms，是一款理想的压电驱动器。以DRV2700为核心的压电驱动模块如图3所示。

EN为使能控制端口;GAIN0、GAIN1为增益控制端口，00、01、10 和11分别对应28.8dB、34.8dB、38.4dB和40.7dB增益设置。以上数字控制端口直接与MSP430单片机IO端口连接。IN+端接收来自D/A电路的模拟电压信号，采用单端连接。OUT+、OUT-为驱动电压输出接口，直接驱动负载压电陶瓷E1。

BST引脚的电压由电阻R29、R34决定，计算公式如式（1）所示。

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

上式中VFB为1.32V，按照要求VOUT=VOUT+-VOUT-=200V，则单端输出的峰值电压为100V，BST电压要求比输出峰值电压最少大5V，则VBST取最大升压电压105V，根据TI手册建议，R1、R2的总电阻值需大于500kΩ，则根据式（1）选择电阻R29=806kΩ，R34=10.2kΩ。

对于电感L11，官方推荐的电感取值范围为3.3uH到22uH。较高电感值的电感具有较低的饱和电流限制，较低电感值的电感具有较高的饱和电流限制。当选择较大的电感时，DRV2700升压变换器自动运行在较低的开关频率，产生较少的开关损耗。但电感值越大，ESR越高，增加了寄生电感损耗。所以当需要提高升压转换器的输出电流时，较低的电感值是比较好的选择。本设计选择电感值为 4.7uH、饱和电流为 2.7A的电感。

REXT端口R35的选择决定了Boost电路电流的大小，计算公式如式（2）所示。

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

其中，K=10500，VREF=1.35V，RINT=60Ω。對于本设计，电感的饱和电流为2.7A，选择ILIM=2.4A，由式（2）计算可得R35选择6.04kΩ电阻。

对于DRV2700外围电路电容的选择，C34、C35、C36均为电源滤波电容，电容越大输出电压纹波越小，一般取值0.1μF，需要注意的是C34作为Boost电路电容，Boost电路的电压输出最大为105V，官方推荐最小容值为50nF，本设计选择耐压值为250V，容值为0.1μF的瓷介质电容器。C39为芯片内部电荷泵的充电电容，PUMP引脚最大输出 10V，此处选择电容值为0.1μF。

2.3 D/A电路

根据设计要求VOUT=VOUT+-VOUT-=200V，则单端输出的峰值电压为100V，在满足峰值电压输出的情况下，选择小的增益有利于增大输出电压分辨率，故DRV2700增益在使用时选择28.8dB增益，转化成电压放大倍数即为27.54倍，则IN+端输入模拟信号电压VIN最大值至少为

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

D/A参考电压决定其输出模拟电压上限，本设计选用ADI公司ADR434基准电压源芯片，具有吸电流和源电流能力，超低噪声，输出参考电压Vref=4.096V>3.63V，可满足要求。DAC选用ADI公司的AD5662，具有16位分辨率，是一种单通道低功耗串行输入缓冲电压输出型数模转换芯片，则输出电压分辨率为

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

完全可以满足30mV分辨率的设计要求，D/A部分电路如图4所示。

ADR434由15V电源供电直接输出4.096V基准电压，经滤波电容后输入AD5662做为参考电压，AD5662的SYNC引脚、SCLK引脚、DIN引脚分别与MSP430的STE、UCLK、SIMO端口相连接，MSP430通过串口SPI对AD5662进行控制，AOUT引脚将转换完成的模拟电压信号输出。

2.4 滤波电路

滤波电路可以使D/A输出的模拟信号更加平滑并且可以滤除干扰信号。设计的四阶巴特沃斯低通滤波器电路如图5所示。该滤波电路截止频率为

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

3 驱动电路实验与分析

在实际测试实验中，主要对驱动电路的输出线性度及输出电压纹波进行测量分析。本设计中，微处理器接收来自上位机的指令控制输出电压来驱动压电陶瓷微位移器的位移，使用上位机设置输出电压值，之后使用电压数字表进行实际输出电压测量，测试数据如表1所示。

将实验测试数据输入Excel软件，绘制X-Y图如图6所示，线性拟合方程为

y=1.0027x-0.0283               （6）

由式（6）可以看出，该驱动电路具有良好的线性。

使用示波器进行输出电压纹波测试，设置输出驱动电压为200V，纹波测试如图7所示，纹波电压不超过20mV，可以满足要求。

4 总结

本文设计了一种基于压电驱动芯片DRV2700的压电陶瓷驱动电路，并对各功能模块的实现和功能进行了论述，DRV2700的应用简化了驱动电路的设计，并提高了设计效率与可靠性。实验表明，该驱动电路有着分辨率高、纹波小、电路结构简单等优点，对采用压电陶瓷进行微小位移定位的应用场合具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]韩同鹏，李国平，沈杰.基于压电陶瓷微位移执行器的精密定位技术研究[J].传感器与微系统，2010，29（2）：51-53.

[2]朱婷.一种压电陶瓷微位移器驱动电源研究[J].电子科技，2016，29（5）：13-15.

[3]尹德芹，颜国正，颜德田.压电陶瓷动态应用的新型驱动电源研究[J].压电与声光，2000，22（2）：86-89.

[4]黄世玲.基于DRV2700的压电陶瓷物镜驱动器电源设计[J].信息技术与信息化，2019，4：54-55.