电压驱动型开关式压电陶瓷驱动电源的设计

王盼　张威

摘 要

针对压电式微滴按需喷射系统的需求，设计了一种基于电压驱动型开关式结构的压电陶瓷驱动电源。该电源制造方法简单、效率高、成本低，其利用脉冲信号对可调直流电路输出脉冲信号进行门电路开关控制，通过变压器对其进行升压调节，以激励压电陶瓷产生形变，达到挤压液体产生微滴的目的。结果表明：驱动电源高压激励信号电压幅值为50-350V、脉冲宽度为10.0-50.0μs、频率为1-48Hz，满足压电式微滴喷头驱动要求。

关键词

微滴喷射;压电陶瓷;驱动电源;门控电路

中图分类号： TN784                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.029

0 引言

微滴喷射技术是在喷墨打印技术的基础上发展起来的一项新技术，具有成本低、效率高以及非接触的优点[1]，在生物医药、3D打印、微电子制造等领域有广泛的应用[2-5]。微滴喷射装置的驱动方式一般分为热泡式、气动式、电磁式、压电式等[6]，压电式驱动方式因其高频响应，容易控制的优点而得到了广泛的应用[7]。压电陶瓷（PZT）是压电式微滴喷射装置的主要功能部件，压电式微滴喷射的喷射原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，在脉冲信号的激励下使压电陶瓷产生形变，对液体产生力的作用，实现微滴的喷射[8]。而驱动电源是压电式微滴喷射系统均匀、稳定、高效地产生微滴的保证，因此也作为压电式微滴按需喷射系统的核心部分之一。压电陶瓷的驱动电源主要分为电荷驱动型和电压驱动型两类，电荷驱动型电源采用电流源代替电压源，需要设计专门的电荷放大器，存在低频特性差，零点漂移等缺点[9]。电压驱动型主要有开关式驱动电源以及直流放大式驱动电源[8]。而开关式驱动电源相比直流放大式驱动电源具有效率高、成本低等优点，本文采用电压驱动型开关式结构，通过脉冲信号实现对可调直流电路的门电路控制，由脉冲变压器对门控电路输出的脉冲信号进行升压，最终输出高压激励脉冲驱动压电陶瓷，实现微滴的按需喷射。

1 压电陶瓷驱动电源原理

基于电压驱动型开关式结构的压电陶瓷驱动电源，利用脉冲信号对门电路的开关进行控制，门电路将可调直流电源与脉冲信号联系在一起，达到可调直流电路输出脉冲信号的目的，从而输出幅值、脉冲宽度、频率均可调的低压驱动信号，再通过变压器对脉冲信号进行升压调节，以实现对压电陶瓷的高压脉冲激励，其原理如图1所示。

2 壓电陶瓷驱动电源总体结构设计

压电式微滴喷射装置驱动电源系统通过36V/3A的开关电源供电，由两个DC-DC转换电路提供两种电压幅值的供电电源，其中12V直流电源为NE555定时器构成的多谐振荡器、单稳态触发器及微分电路供电，NE555定时器构成的多谐振荡器用于产生频率可调的脉冲信号，微分电路输入脉冲信号的低电平进行调节，单稳态触发器的目的是实现对脉冲信号宽度的调节。1.25～34V可调直流电源通过门控电路给变压器提供低压脉冲激励。通过脉冲信号控制门电路的开/关，从而实现对1.25～34V直流电源的控制，从而输出低压激励信号。利用变压器对低压激励信号进行升压，输出高压激励信号后驱动压电陶瓷振动。如图2所示为压电陶瓷驱动电源的电路结构图。

2.1 系统供电电路设计

12V直流电源和1.2～34V可调直流电源用于实现系统供电，电路如图3所示，由三端可调稳压器LM317及外围电路构成。LM317输出电压范围为1.25～40V时能够提供1.5A的电流，该稳压器易于使用，通过两个外部电阻实现输出电压幅值的控制，其使用参数如表1所示。

得到Rmax值约为357Ω，实际电路中取值略小于357Ω。本文取值R2和R4电阻值均为330Ω，LM317稳压器的输出电压为

U1输出12V直流电压，给多谐振荡器、单稳态触发器及微分电路供电，通过式（3）计算取R1为3kΩ，U2需要输出1.2～34V可调直流电压，因此R4为可调电位器，由式（3）得其最大阻值为8.7kΩ。

R1/R3上的纹波电压通过并联一个10μF电容C2/C5的方法得到减少，但在输出开路时，C2/C5会向稳压器调整端放电，并使调整端发射结反偏，为了保护稳压器，本文通过在R2/R4上并联二极管D2/D4，达到提供一个放电回路保护稳压器的目的。为防止电路产生自激振荡，在输入线较长时，需要添加电容C1/C4抵消电感效应，一般取值为0.1μF。同时利用10μF电容C3/C6用于消除输出电压中的高频噪声，输出较大的脉冲电流。通过在稳压器输出端和输入端跨接D1/D3，防止输入端断开时稳压器损坏。

2.2 多谐振荡器电路设计

多谐振荡器用于产生频率可调的脉冲信号，其电路如图4所示，由NE555定时器和外接元件R5和R6、R7、C8构成多谐振荡器，+12V电源通过R5和R6、R7向C8充电，并由C8通过R7向7引脚放电，使电路产生自激振荡输出矩形波，5引脚外接0.01μF电容器C7，实现滤波和防止干扰信号窜入的作用。NE555芯片各个引脚功能不在此进行赘述。

本文取R5为10kΩ、R6为可调电位器，其最大阻值为1MΩ、R7为10kΩ、C8为1μF，多谐振荡器的振荡频率为

在实验中通过调节可调电位器R6则可以实现驱动电源输出1-50Hz的脉冲信号。

2.3 微分电路设计

微分电路用于将矩形脉冲信号转换为尖脉冲信号，其电路如图5所示，由C11、R10和R11、+12V电源构成正脉冲微分电路，R9和D5用于抑制高电平处的尖脉冲。（R10+R11）C10值决定脉冲陡缓，其值越小，输出的脉冲波形越陡。取R9为10kΩ、C11为0.1μF、选取R10为200Ω、R11为1kΩ。

2.4 单稳态触发器电路设计

单稳态触发器实现对微分电路后的脉冲信号进行整形，其电路如图6所示，由NE555定时器和外接元件R8和C10构成，2引脚为信号输入端，3引脚为信号输出端，6、7引脚相连后与R8和C10相连，5引脚外接0.01μF电容器C9，实现滤波和防止干扰信号窜入的作用。本文取R8为10kΩ、C10为470pF。

2.5 门控电路设计

在驱动电源中，门控电路通过脉冲信号实现对1.25～34V可调直流电源的开/关，其电路如图7所示，主要有两个三极管Q1和Q2构成，Q1和Q2作对管使用，正常工作时，Q1和Q2工作在饱和区和截止区，实现开/关作用。本文选择Q1为PNP型8550三极管、Q2为NPN型8050三极管、R12为3kΩ、R13为10kΩ、R14为2kΩ、R15为2kΩ、R16为200Ω，作用是减弱变压器工作瞬间产生的浪涌电流、D6为蓄流二极管、T为变压器，其次级和初级的线圈匝数比为10：1。

3 结果与分析

为了验证所设计驱动电路的性能，在硬件设计基础上，使用RIGOL公司DS2101数字示波器对电路板进行测试。通过改变R3、R11、R6的电阻值实现驱动信号电压幅值、脉冲宽度、脉冲频率的调节，其与电阻的对应关系如图8（a）、（b）、（c）所示，图8（d）为利用示波器采集的高压激励脉冲信号。

由图8（a）可以看出，电压幅值与R3电阻阻值呈近线性关系，将曲线拟合得其关系式为，图8（b）中脉冲宽度与R11电阻阻值呈近线性关系，拟合得其关系式为，图8（c）中频率随着R6电阻阻值的增大而降低。图8（d）中为示波器采集的高压激励信号电压幅值为348V、脉冲宽度为30.0μs、频率为30Hz，满足压电式微滴喷头驱动要求。

4 结论

根据压电式微滴按需喷射装置的实验要求，课题组采用电压驱动型开关式结构，设计了压电陶瓷的驱动电源，脉冲信号通过门控电路实现对可调直流电源的开/关控制，从而输出低壓激励信号，通过变压器升压后，输出高压激励信号使压电陶瓷振动，达到微滴按需喷射的目的。通过实验证明该电源驱动系统高压激励信号电压幅值为348V、脉冲宽度为30.0μs、频率为30Hz，同时具有效率高、发热小的优点，在低频工作时能满足微滴的按需可控喷射，满足压电式微滴喷头驱动要求。

参考文献

[1]Lee E R. Microdrop generation[M]. CRC press， 2018.

[2]罗志伟，赵小双，罗莹莹，等.微滴喷射技术的研究现状及应用[J].重庆理工大学学报（自然科学），2015，29（05）：27-32.

[3]NEGRO A， CHERBUIN T， LUTOLF M P. 3D Inkjet Printing of Complex， Cell-Laden Hydrogel Structures[J]. Scientific reports， 2018， 8（1）：17099.

[4]李素丽，魏正英，杜军，等.基于金属3D打印技术成形嵌套零件工艺研究[J].材料科学与工艺，2016，24（06）：1-7.

[5]JALKANEN T， M？KIL？ E， M？？TT？NEN A， et al. Porous silicon micro-and nanoparticles for printed humidity sensors[J]. Applied Physics Letters， 2012， 101（26）： 263110.

[6]尹博. 织物表面喷射打印成形导线工艺条件影响研究[D].西安工程大学，2018.

[7]Li K， Liu J， Chen W， et al. Controllable printing droplets on demand by piezoelectric inkjet： applications and methods[J]. Microsystem technologies， 2018， 24（2）： 879-889.

[8]张威，肖渊，张津瑞，等. 压电式微滴喷头电源驱动系统设计与实现[J].西安工程大学学报，2019，33（03）：326-331.

[9]赵碧杉，尹达一，曾攀，等.高精度大功率压电陶瓷驱动关键技术[J].压电与声光，2013，35（06）：853-857.