電壓驅動型開關式壓電陶瓷驅動電源的設計

王盼　張威

摘 要

針對壓電式微滴按需噴射系統的需求，設計了一種基于電壓驅動型開關式結構的壓電陶瓷驅動電源。該電源制造方法簡單、效率高、成本低，其利用脈沖信號對可調直流電路輸出脈沖信號進行門電路開關控制，通過變壓器對其進行升壓調節，以激勵壓電陶瓷產生形變，達到擠壓液體產生微滴的目的。結果表明：驅動電源高壓激勵信號電壓幅值為50-350V、脈沖寬度為10.0-50.0μs、頻率為1-48Hz，滿足壓電式微滴噴頭驅動要求。

關鍵詞

微滴噴射;壓電陶瓷;驅動電源;門控電路

中圖分類號： TN784 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.029

0 引言

微滴噴射技術是在噴墨打印技術的基礎上發展起來的一項新技術，具有成本低、效率高以及非接觸的優點[1]，在生物醫藥、3D打印、微電子制造等領域有廣泛的應用[2-5]。微滴噴射裝置的驅動方式一般分為熱泡式、氣動式、電磁式、壓電式等[6]，壓電式驅動方式因其高頻響應，容易控制的優點而得到了廣泛的應用[7]。壓電陶瓷（PZT）是壓電式微滴噴射裝置的主要功能部件，壓電式微滴噴射的噴射原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，在脈沖信號的激勵下使壓電陶瓷產生形變，對液體產生力的作用，實現微滴的噴射[8]。而驅動電源是壓電式微滴噴射系統均勻、穩定、高效地產生微滴的保證，因此也作為壓電式微滴按需噴射系統的核心部分之一。壓電陶瓷的驅動電源主要分為電荷驅動型和電壓驅動型兩類，電荷驅動型電源采用電流源代替電壓源，需要設計專門的電荷放大器，存在低頻特性差，零點漂移等缺點[9]。電壓驅動型主要有開關式驅動電源以及直流放大式驅動電源[8]。而開關式驅動電源相比直流放大式驅動電源具有效率高、成本低等優點，本文采用電壓驅動型開關式結構，通過脈沖信號實現對可調直流電路的門電路控制，由脈沖變壓器對門控電路輸出的脈沖信號進行升壓，最終輸出高壓激勵脈沖驅動壓電陶瓷，實現微滴的按需噴射。

1 壓電陶瓷驅動電源原理

基于電壓驅動型開關式結構的壓電陶瓷驅動電源，利用脈沖信號對門電路的開關進行控制，門電路將可調直流電源與脈沖信號聯系在一起，達到可調直流電路輸出脈沖信號的目的，從而輸出幅值、脈沖寬度、頻率均可調的低壓驅動信號，再通過變壓器對脈沖信號進行升壓調節，以實現對壓電陶瓷的高壓脈沖激勵，其原理如圖1所示。

2 壓電陶瓷驅動電源總體結構設計

壓電式微滴噴射裝置驅動電源系統通過36V/3A的開關電源供電，由兩個DC-DC轉換電路提供兩種電壓幅值的供電電源，其中12V直流電源為NE555定時器構成的多諧振蕩器、單穩態觸發器及微分電路供電，NE555定時器構成的多諧振蕩器用于產生頻率可調的脈沖信號，微分電路輸入脈沖信號的低電平進行調節，單穩態觸發器的目的是實現對脈沖信號寬度的調節。1.25～34V可調直流電源通過門控電路給變壓器提供低壓脈沖激勵。通過脈沖信號控制門電路的開/關，從而實現對1.25～34V直流電源的控制，從而輸出低壓激勵信號。利用變壓器對低壓激勵信號進行升壓，輸出高壓激勵信號后驅動壓電陶瓷振動。如圖2所示為壓電陶瓷驅動電源的電路結構圖。

2.1 系統供電電路設計

12V直流電源和1.2～34V可調直流電源用于實現系統供電，電路如圖3所示，由三端可調穩壓器LM317及外圍電路構成。LM317輸出電壓范圍為1.25～40V時能夠提供1.5A的電流，該穩壓器易于使用，通過兩個外部電阻實現輸出電壓幅值的控制，其使用參數如表1所示。

得到Rmax值約為357Ω，實際電路中取值略小于357Ω。本文取值R2和R4電阻值均為330Ω，LM317穩壓器的輸出電壓為

U1輸出12V直流電壓，給多諧振蕩器、單穩態觸發器及微分電路供電，通過式（3）計算取R1為3kΩ，U2需要輸出1.2～34V可調直流電壓，因此R4為可調電位器，由式（3）得其最大阻值為8.7kΩ。

R1/R3上的紋波電壓通過并聯一個10μF電容C2/C5的方法得到減少，但在輸出開路時，C2/C5會向穩壓器調整端放電，并使調整端發射結反偏，為了保護穩壓器，本文通過在R2/R4上并聯二極管D2/D4，達到提供一個放電回路保護穩壓器的目的。為防止電路產生自激振蕩，在輸入線較長時，需要添加電容C1/C4抵消電感效應，一般取值為0.1μF。同時利用10μF電容C3/C6用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，輸出較大的脈沖電流。通過在穩壓器輸出端和輸入端跨接D1/D3，防止輸入端斷開時穩壓器損壞。

2.2 多諧振蕩器電路設計

多諧振蕩器用于產生頻率可調的脈沖信號，其電路如圖4所示，由NE555定時器和外接元件R5和R6、R7、C8構成多諧振蕩器，+12V電源通過R5和R6、R7向C8充電，并由C8通過R7向7引腳放電，使電路產生自激振蕩輸出矩形波，5引腳外接0.01μF電容器C7，實現濾波和防止干擾信號竄入的作用。NE555芯片各個引腳功能不在此進行贅述。

本文取R5為10kΩ、R6為可調電位器，其最大阻值為1MΩ、R7為10kΩ、C8為1μF，多諧振蕩器的振蕩頻率為

在實驗中通過調節可調電位器R6則可以實現驅動電源輸出1-50Hz的脈沖信號。

2.3 微分電路設計

微分電路用于將矩形脈沖信號轉換為尖脈沖信號，其電路如圖5所示，由C11、R10和R11、+12V電源構成正脈沖微分電路，R9和D5用于抑制高電平處的尖脈沖。（R10+R11）C10值決定脈沖陡緩，其值越小，輸出的脈沖波形越陡。取R9為10kΩ、C11為0.1μF、選取R10為200Ω、R11為1kΩ。

2.4 單穩態觸發器電路設計

單穩態觸發器實現對微分電路后的脈沖信號進行整形，其電路如圖6所示，由NE555定時器和外接元件R8和C10構成，2引腳為信號輸入端，3引腳為信號輸出端，6、7引腳相連后與R8和C10相連，5引腳外接0.01μF電容器C9，實現濾波和防止干擾信號竄入的作用。本文取R8為10kΩ、C10為470pF。

2.5 門控電路設計

在驅動電源中，門控電路通過脈沖信號實現對1.25～34V可調直流電源的開/關，其電路如圖7所示，主要有兩個三極管Q1和Q2構成，Q1和Q2作對管使用，正常工作時，Q1和Q2工作在飽和區和截止區，實現開/關作用。本文選擇Q1為PNP型8550三極管、Q2為NPN型8050三極管、R12為3kΩ、R13為10kΩ、R14為2kΩ、R15為2kΩ、R16為200Ω，作用是減弱變壓器工作瞬間產生的浪涌電流、D6為蓄流二極管、T為變壓器，其次級和初級的線圈匝數比為10：1。

3 結果與分析

為了驗證所設計驅動電路的性能，在硬件設計基礎上，使用RIGOL公司DS2101數字示波器對電路板進行測試。通過改變R3、R11、R6的電阻值實現驅動信號電壓幅值、脈沖寬度、脈沖頻率的調節，其與電阻的對應關系如圖8（a）、（b）、（c）所示，圖8（d）為利用示波器采集的高壓激勵脈沖信號。

由圖8（a）可以看出，電壓幅值與R3電阻阻值呈近線性關系，將曲線擬合得其關系式為，圖8（b）中脈沖寬度與R11電阻阻值呈近線性關系，擬合得其關系式為，圖8（c）中頻率隨著R6電阻阻值的增大而降低。圖8（d）中為示波器采集的高壓激勵信號電壓幅值為348V、脈沖寬度為30.0μs、頻率為30Hz，滿足壓電式微滴噴頭驅動要求。

4 結論

根據壓電式微滴按需噴射裝置的實驗要求，課題組采用電壓驅動型開關式結構，設計了壓電陶瓷的驅動電源，脈沖信號通過門控電路實現對可調直流電源的開/關控制，從而輸出低壓激勵信號，通過變壓器升壓后，輸出高壓激勵信號使壓電陶瓷振動，達到微滴按需噴射的目的。通過實驗證明該電源驅動系統高壓激勵信號電壓幅值為348V、脈沖寬度為30.0μs、頻率為30Hz，同時具有效率高、發熱小的優點，在低頻工作時能滿足微滴的按需可控噴射，滿足壓電式微滴噴頭驅動要求。

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