驱动电源厂家：驱动电源的设计与实现
李 勇1，孔春伟2，何继爱2，孔全存3，赵 翔4
喷头驱动电源是压电喷头的核心部件之一。针对厚度剪切型压电喷头致动器结构特征，剖析了0.11～0.32 μm规模内的致动壁位移随驱动电压在20～60 V规模内近似线性增大的联系，推导出致动壁15 kHz的谐振基频数值，结合喷墨通道“三循环”驱动办法时序，规划了一种依据直流改换原理的开关式驱动电源，完成了32路喷墨通道分组喷发，其最大输出电压规模±60 V，正负脉宽和设置时刻在15～200 μs内在线可调，单路输出电流大于6 mA，脉宽最大差错小于3%。开始测验试验了该驱动电源的可行性。
跟着传统打印、工业喷绘、生物医学等行业的蓬勃发展，剪切型压电喷墨打印技能因其墨滴均匀性好，可控性强、卫星点少等长处异军突起，是当今最具使用潜力的喷墨打印技能[1]。剪切型压电喷墨打印技能中压电喷头结构及驱动电源是其关键技能，喷头驱动电源输出鼓励脉冲的幅值、频率特性影响喷头喷出墨滴的大小、速度及频率[2]。因而，研发一种有用的剪切型压电喷头驱动电源，关于提高喷头喷出墨滴的功能具有重要意义。
1.1 厚度剪切型压电喷头驱动结构
依据剪切型压电喷头功能及上述剖析，以PZT-5H压电陶瓷为基材，规划出如图1所示的剪切型压电喷头致动器结构。压电喷头致动器主要由压电陶瓷底座、压电陶瓷致动壁、非压电陶瓷上盖、连接膜、焊盘、带有喷孔的喷孔板等构成。
图1 剪切型压电喷头致动器结构
(a)停止态 (b)容积增大态 (c)容积减小态
1.2 致动壁位移及谐振基频剖析
为了确定电压对压电喷头致动壁厚度剪切振荡时位移的影响，在图1所示喷头致动器结构模型的致动壁上定义如下条件及变量：致动壁上部涂覆铜电极；致动壁长l、电极高h、致动壁厚w(w远小于h)，致动壁沿z方向极化，y方向施加电场，逆z方向wl面固定，顺z方向wl面胶连支撑。设y方向挠度为f，则f是x、z、t的函数，可得致动壁振荡的微分方程为：
因致动壁长度远大于电极高度，可近似认为致动壁y方向挠度f不随x的改变而改变，即f(x，z，t)=f(z，t)。
式(2)中U为驱动电压，r为上盖及连接膜等效为绷簧时的绷簧系数。将边界条件代入式(1)，可得z=h时，致动壁位移S：
依据图1所示剪切型压电喷头致动器结构模型，设致动壁厚度剪切振荡时，任一时刻挠度为：
由式(5)得挠度为：
致动壁动能：
依据动能与势能联系Umax=Tmax，解得致动壁谐振基频：
经过对压电喷头致动壁位移及谐振基频的理论剖析，得出PZT-5H制作的致动壁，0.11～0.32 μm规模内的致动壁位移随驱动电压在20～60 V规模内近似线性增大；谐振基频约为15 kHz。
2.1 致动壁驱动波形规划
一般图1所示剪切型压电喷头致动器某一通道喷发墨水时，相邻通道因致动壁搅扰无法一起喷发。为处理依据同享致动壁结构规划的喷头相邻通道无法一起喷发问题，提出将通道分红三组，选用循环替换作业的办法，编号为1+3n的通道为A组，编号为2+3n的喷道为B组，编号为3+3n的通道为C组。某一组通道拟喷发墨滴时，该组通道施加图3中b通道上的鼓励脉冲，相邻两通道别离施加a通道，c通道上的鼓励脉冲。
针对剪切型压电喷头功能、致动器结构特征、致动壁位移在20～60 V规模内随驱动电压近似线性增大联系、致动壁15 kHz谐振基频、喷墨通道“三循环”驱动办法时序，规划了一种依据直流改换原理的开关式驱动电源。该电源完成32路通道的分组喷发，其最大输出电压规模±60 V，正负脉宽和设置时刻在15～200 μs内在线可调。剪切型压电喷头驱动电源整体框图如图4所示，压电喷头驱动电源由主控模块、多路信号发生器模块、功率扩大模块、上位机模块等构成。
图4 剪切型压电喷头驱动电源整体框图
功率扩大模块完成信号发生器生成信号的功率扩大，当扩大后的鼓励脉冲施加到喷墨通道焊盘上时，致动壁发生厚度剪切振荡，导致墨水腔有规则地增大-减小，将墨水挤出喷孔。功率扩大模块选用MOS管构建的全桥输出扩大电路，相邻两通道扩大电路如图5所示，功率扩大电路由光电阻隔、MOS管驱动、边缘调整、功率扩大四部分组成[12]。
图 5 功率扩大电路
电路中输入信号U1、U2满足图3所示时序联系时，剪切型压电喷头致动壁充放电进程如下：U1上升沿到来且U2为低电平，MOS管T2、T6导通，T3、T5关断，20～60 V可调直流电源经T2、T6对致动壁正向充电，致动壁向外运动；U1下降沿到来且U2为低电平，MOS管T3、T6导通，T2、T5关断，致动壁经T3和D4组成的回路正向放电，致动壁向内运动。U1为低电平且U2上升沿到来，MOS管T5、T3导通，T6、T2关断，20～60 V可调直流电源经T5、T3对致动壁反向充电，致动壁持续向内运动。U1为低电平且U2下降沿到来，MOS管T6、T3导通，T5、T2关断，压电致动壁经T6和D2组成的回路反向放电，致动壁向外运动，并逐步康复到初始状况。
为了检验依据直流改换原理规划的剪切型压电喷头驱动电源的实践功能，在喷头驱动电源试验设备上展开带负载的测验试验。试验设备如图6所示，主要由喷头驱动电源主控模块、多路信号发生器模块、功率扩大模块、可调直流电源、示波器等组成。
图 6 压电喷头驱动电源设备
为了检验喷头驱动电源输出脉冲幅值的有用性，展开了脉冲频率固守时、不同幅值波形的测验试验，试验中脉冲频率、幅值输入值别离为：15 kHz、±20 V、±40 V、±60 V。测验所用致动壁容值约为470 pF。图7为实践测验波形，在电源带负载状况下，频率为15 kHz时，幅值为±20 V、±40 V、±60 V的脉冲，其实践幅值与理论幅值吻合度较好，无严重骤变；不同幅值下正脉宽、负脉宽、设置时刻一致性杰出，但存在上升沿、下降沿略有歪斜，经过剖析，带负载状况下驱动电源电路的输出电阻与致动壁构成的回路导致了上升沿和下降沿略微歪斜。因而，驱动电源在15 kHz频率下，20～60 V规模内驱动负载时，输出脉冲幅值无严重失真，有用性杰出。
(a)脉冲幅值±20 V波形
(b)脉冲幅值±40 V波形
(c)脉冲幅值±60 V波形
3.2 驱动电源脉冲频率
±30 V、3 kHz、6 kHz、9 kHz、
4 定论
参考文献
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[6] 徐立宁，崔大付，范兆岩．压电陶瓷驱动电源研发及其在打印机中的使用[J]．压电与声光，2006，28(1)：30-32.
[8] Xu Limei，Zhang Ying，Fan Hui，et al.Theoretical analysis of a geramic plate thickness-shear mode piezoelectric transformer[J].IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control.2009，56(3)：613-621.
[10] 鲁琳琳，贾豫东，张晓东.压电陶瓷驱动电路RC网络补偿技能研讨[J].电子技能使用，2015，41(10)：52-54.
[12] Xaar Ltd.Multiplexer circuit：UK，US5028812[P].1991-07-02.
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