壓電驅(qū)動(dòng)器D類輸出級(jí)：設(shè)計(jì)與性能

壓電作動(dòng)器廣泛應(yīng)用于各類定位系統(tǒng)中。這類作動(dòng)器依托逆壓電效應(yīng)工作，這是一種物理換能機(jī)制：壓電材料在接收電荷作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械作用力。

但我們無法將運(yùn)動(dòng)控制器直接與壓電作動(dòng)器相連，必須搭配壓電放大器。壓電放大器也常被稱作壓電驅(qū)動(dòng)器，是整套壓電控制系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件。

市面上有各類大功率壓電放大器可供選型。本文為三篇系列文章的第一篇，將對(duì)比解析AB 類與D 類輸出級(jí)架構(gòu)在壓電放大器應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。正如后續(xù)分析所示，兩種架構(gòu)不存在普適所有場(chǎng)景的萬能方案。

本文將先介紹壓電驅(qū)動(dòng)器的核心設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)剖析 AB 類輸出級(jí)，涵蓋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及該架構(gòu)對(duì)壓電放大器整體設(shè)計(jì)與性能的影響。下篇文章將聚焦 D 類輸出級(jí)。系列文章完結(jié)后，讀者可全面掌握兩類輸出級(jí)的核心性能取舍與典型適用場(chǎng)景。

壓電驅(qū)動(dòng)器的必要性

圖 1 展示了精密定位系統(tǒng)中，壓電放大器的典型安裝與接入位置。

圖 1 機(jī)械定位系統(tǒng)中壓電放大器的典型布局

壓電驅(qū)動(dòng)器的核心作用是為壓電負(fù)載輸出驅(qū)動(dòng)電信號(hào)。由于壓電元件的形變程度與外加電荷量呈強(qiáng)關(guān)聯(lián)，電荷放大器本是適配性最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)方案。

但壓電元件本質(zhì)呈現(xiàn)容性負(fù)載特性，導(dǎo)致電荷與電壓之間僅為準(zhǔn)線性關(guān)系。本文討論對(duì)象為電壓型壓電放大器：以數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸出的低壓弱電信號(hào)為輸入，經(jīng)線性放大后輸出高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

設(shè)計(jì)人員需結(jié)合實(shí)際工況評(píng)估電壓放大器的適配性。尤其在無機(jī)械反饋的閉環(huán)場(chǎng)景下，容性壓電負(fù)載的電荷 - 電壓非線性特性，會(huì)顯著降低電壓型驅(qū)動(dòng)方案的定位控制精度。

壓電放大器關(guān)鍵性能指標(biāo)

在分析驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)架構(gòu)選型前，需先明確核心性能參數(shù)與設(shè)計(jì)約束。

前文已提及壓電作動(dòng)器具備容性阻抗特性，負(fù)載電容大小完全由壓電元件規(guī)格決定：微型壓電作動(dòng)器電容僅為數(shù)納法，而大型壓電組件可達(dá)數(shù)十微法。容性負(fù)載會(huì)從多維度制約放大器設(shè)計(jì)，包括峰值電流驅(qū)動(dòng)能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、頻率穩(wěn)定性及無功功率損耗。

輸出電壓范圍是另一項(xiàng)核心設(shè)計(jì)指標(biāo)。壓電作動(dòng)器普遍需要寬范圍高壓驅(qū)動(dòng)：雙極性電壓（-150 V ~ +150 V）、半雙極性電壓（-30 V ~ +150 V）為行業(yè)主流規(guī)格，千伏級(jí)高壓壓電器件也正逐步普及。驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)直接決定功率器件選型與供電電源方案。

最大輸出電壓擺幅，同步?jīng)Q定了輸出級(jí)所需的電流驅(qū)動(dòng)能力。滿功率帶寬定義了壓電驅(qū)動(dòng)器在無壓擺率限制下，輸出額定峰峰值正弦信號(hào)的最高工作頻率。滿功率帶寬之上產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)非線性失真，根源在于輸出級(jí)與供電系統(tǒng)的最大輸出電流受限。三者定量關(guān)系如下：
等式1

式中： 為負(fù)載電容。

并非所有應(yīng)用都需要高滿功率帶寬。部分精密場(chǎng)景中，設(shè)備僅需在環(huán)境振動(dòng)干擾下保持微幅高精度定位，無高頻、大行程運(yùn)動(dòng)需求，因此無需高滿功率帶寬，小信號(hào)帶寬才是核心設(shè)計(jì)指標(biāo)。

小信號(hào)帶寬用于表征驅(qū)動(dòng)器頻響的線性動(dòng)態(tài)特性。壓電放大器輸出級(jí)的傳遞函數(shù)會(huì)直接影響整機(jī)帶寬，并塑造環(huán)路增益特性。關(guān)于環(huán)路增益與反饋系統(tǒng)增益的關(guān)聯(lián)，可參考筆者另一篇文章《模擬電路 SLiCAP 設(shè)計(jì)入門》。

此外，所有壓電驅(qū)動(dòng)器都會(huì)在有效輸出信號(hào)上疊加固有噪聲，噪聲主要來源于阻性元件與輸出級(jí)有源功率器件。

紋波則是另一類有害雜散信號(hào)；與隨機(jī)噪聲不同，紋波屬于確定性干擾信號(hào)。本系列后續(xù)介紹 D 類輸出級(jí)時(shí)，將詳細(xì)展開紋波特性分析。在光機(jī)系統(tǒng)等高精密領(lǐng)域，噪聲與紋波抑制能力是設(shè)備選型的硬性指標(biāo)。

AB 類輸出級(jí)的設(shè)計(jì)與性能

基于上述基礎(chǔ)參數(shù)，下文詳細(xì)解析 AB 類驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。帶容性壓電負(fù)載的 AB 類推挽輸出級(jí)電路如圖 2 所示。

該推挽架構(gòu)應(yīng)用廣泛，原理與運(yùn)算放大器輸出級(jí)高度相似：上半部分為推挽上管，正電源向負(fù)載輸出正向電流時(shí)導(dǎo)通工作；下半部分為推挽下管，負(fù)載向負(fù)電源泄放電流時(shí)導(dǎo)通工作。

若僅采用上述分時(shí)導(dǎo)通邏輯，該電路為純 B 類放大器。實(shí)際工況中，正負(fù)電源之間會(huì)持續(xù)流過靜態(tài)偏置電流，引入 A 類放大工作區(qū)間，整體構(gòu)成AB 類輸出級(jí)。

圖 2 架構(gòu)采用兩只 NMOS 管，工作于飽和區(qū)。推挽上管的源極直接連接負(fù)載，因此該管需要搭配隔離柵極驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)低壓柵源信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

完整的壓電驅(qū)動(dòng)器通常由多級(jí)放大電路與電壓反饋環(huán)路組成。本文雖僅聚焦輸出級(jí)設(shè)計(jì)，但前級(jí)電路與反饋環(huán)路同樣決定整機(jī)帶寬與失真指標(biāo)。

功耗與熱管理

為理解 AB 類輸出級(jí)工作原理，先拆解其 B 類工作區(qū)間的功耗特性。理想 B 類輸出級(jí)周期性驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載、輸出峰值電壓時(shí)，總功耗計(jì)算公式：
等式2

參數(shù)說明：
：正電源電壓；：負(fù)電源電壓；
：滿功率帶寬；：最大峰峰值輸出電壓。

行業(yè)文獻(xiàn)常標(biāo)注 B 類放大器純阻性負(fù)載峰值工況下，理論最高效率可達(dá) 78%。但該結(jié)論完全不適用于壓電容性負(fù)載：理想壓電負(fù)載為無損耗無功元件，周期性充放電過程中不產(chǎn)生有功功耗。

純無功容性負(fù)載工況下，即便是理想 B 類放大器，能量轉(zhuǎn)換效率也趨近于零。負(fù)載回饋的無功能量，最終全部以熱能形式耗散在輸出級(jí)功率管內(nèi)部。

核心原因在于：推挽上管僅能輸出灌電流、下管僅能吸收拉電流，供電電源無法反向吸收回饋能量。簡(jiǎn)言之，負(fù)載工作時(shí)，功率管的漏源電流與漏源電壓同時(shí)非零，持續(xù)產(chǎn)生無用功耗。

該類熱損耗的影響程度視應(yīng)用場(chǎng)景而定。微幅定點(diǎn)精密控制場(chǎng)景中，設(shè)備僅在緩慢變化的工作點(diǎn)附近小幅運(yùn)動(dòng)，B 類推挽級(jí)動(dòng)態(tài)功耗顯著降低：
等式3

但大行程、高動(dòng)態(tài)、高頻工作場(chǎng)景下，功耗會(huì)成為嚴(yán)重設(shè)計(jì)瓶頸。即便供電功率充足，大量散熱也會(huì)引發(fā)熱管理難題。
舉例：負(fù)載電容 、正負(fù)電源 ±150 V、滿功率帶寬 1 kHz 時(shí)，整機(jī)熱功耗高達(dá) 360 W。

即便配置大型散熱片、對(duì)流散熱方案可行，仍需精準(zhǔn)核算功率管結(jié)殼熱阻，必要時(shí)采用多管并聯(lián)堆疊設(shè)計(jì)；同時(shí)需優(yōu)化印制電路板（PCB）與散熱器的熱連接結(jié)構(gòu)。

以上僅為純 B 類工作狀態(tài)分析。AB 類架構(gòu)中，推挽導(dǎo)通區(qū)間存在交疊，正負(fù)電源間會(huì)持續(xù)流過固定靜態(tài)偏置電流，以此消除交越失真，但代價(jià)是靜態(tài)功耗上升：
等式4

式中 為靜態(tài)偏置電流。
若設(shè)備存在體積、重量限制，AB 類 / B 類放大器往往難以滿足設(shè)計(jì)要求。

供電電源設(shè)計(jì)要求

結(jié)合功耗特性，進(jìn)一步說明供電電源適配性。AB 類輸出級(jí)可直接適配通用標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)電源，這是其核心優(yōu)勢(shì)之一。結(jié)合電源四象限工作模式（圖 3）可清晰解釋該特性。

圖 3 電源四象限工作模式

電源第二、四象限為能量吸收模式，并非所有通用電源都支持該功能。而壓電負(fù)載 AB 類輸出級(jí)無需電源具備能量回饋能力，僅需滿足兩項(xiàng)基礎(chǔ)條件：

1.電源最大輸出電流，高于負(fù)載峰值工作電流；

2.直流輸出電壓等級(jí)，匹配放大器所需電壓擺幅。

結(jié)合圖 2 電路：負(fù)載正向灌電流由正電源提供（第一象限工作），負(fù)載反向拉電流由負(fù)電源吸收（第三象限工作）。容性負(fù)載回饋的無功能量全部耗散于功率管，電源無需工作在能量吸收象限，大幅降低供電方案成本與復(fù)雜度。

全文總結(jié)

近年來，壓電作動(dòng)器已成為精密定位系統(tǒng)的核心器件，可實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械位移的高精度轉(zhuǎn)換。穩(wěn)定、匹配的壓電放大驅(qū)動(dòng)電路，是保障壓電元件正常工作的必要條件；定位系統(tǒng)的工況與性能指標(biāo)，直接決定放大器的電路拓?fù)渑c功率規(guī)格。

本文為系列首篇，系統(tǒng)闡述了 AB 類壓電驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)的特性：
? 優(yōu)勢(shì)：線性度優(yōu)異、無開關(guān)紋波干擾；
? 短板：大行程、大容性負(fù)載、高帶寬工況下，熱損耗嚴(yán)重、熱管理壓力大。

對(duì)于工作點(diǎn)緩慢變化、需微幅高精度控制的小行程場(chǎng)景，AB 類輸出級(jí)是性價(jià)比極高的優(yōu)選方案，常應(yīng)用于電壓反饋架構(gòu)，可精準(zhǔn)優(yōu)化系統(tǒng)頻域增益特性。

系列下篇將介紹D 類開關(guān)型輸出級(jí)，聚焦大功率壓電作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方案；終篇將橫向?qū)Ρ?AB 類與 D 類架構(gòu)，為壓電系統(tǒng)架構(gòu)選型提供完整參考依據(jù)。

原文

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/design-and-performance-of-the-class-d-output-stage-for-piezo-drivers

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