[发明专利]一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路

权利要求书

1.一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，其特征在于：它包括：DSPIC30F5013控制电路(101)、光电隔离电路Ⅰ(102)、高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)、OPA548功率放大电路Ⅰ(104)、压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)、MOSFET功率管T1(106)、光电隔离电路Ⅱ(107)、高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)、OPA548功率放大电路Ⅱ(109)、MOSFET功率管T2(110)、压电陶瓷放电驱动电源-VEE(111)、电流传感器(112)、压电陶瓷(113)、分压电阻R1(114)、取样电阻R2(115)、电流信号调理电路(116)和电压信号调理电路(117)；

该DSPIC30F5013控制电路(101)输出两路SPI串行通讯信号，其中SPI串行通讯Ⅰ信号连接至光电隔离电路Ⅰ(102)，通过光电转换实现信号隔离，隔离后的串行通讯信号再连接至高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)，将数字信号转换成模拟电压信号V_in1输出，该信号V_in1再输入OPA548功率放大电路Ⅰ(104)进行功率放大，峰值输出电流能达5A，放大后的信号V_d1再连接至MOSFET功率管T1(106)的门极，实现MOSFET功率管T1的驱动；同样地，SPI串行通讯Ⅱ信号连接至光电隔离电路Ⅱ(107)，通过光电转换实现信号隔离，隔离后的串行通讯信号再连接至高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)，将数字信号转换成模拟电压信号V_in2输出，该信号V_in2再输入OPA548功率放大电路Ⅱ(109)进行功率放大，峰值输出电流能达5A，放大后的信号V_d2再连接至MOSFET功率管T2(110)的门极，实现MOSFET功率管T2的驱动；MOSFET功率管T1(106)的源极与MOSFET功率管T2(110)的漏极相连，然后再连接至压电陶瓷(113)，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)连接在MOSFET功率管T1(106)的漏极，压电陶瓷放电驱动电源-VEE(111)连接在MOSFET功率管T2(110)的源极；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号V_d1使MOSFET功率管T1(106)工作在恒流放大状态，且控制驱动信号V_d2＝0使MOSFET功率管T2(110)关闭，压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)对压电陶瓷(113)进行恒流充电，充电电流的大小由的驱动信号V_d1大小和MOSFET功率管T1的转移特性曲线决定；当DSPIC30F5013控制电路(101)控制驱动信号V_d1＝0使MOSFET功率管T1(106)关闭，且控制驱动信号V_d2使MOSFET功率管T2(110)工作在恒流放大状态，压电陶瓷(113)通过MOSFET功率管T2对压电陶瓷放电驱动电源-VEE(111)恒流放电，放电电流的大小由的驱动信号V_d2大小和MOSFET功率管T2的转移特性曲线决定；

该电流传感器(112)串联在压电陶瓷充放电电路中，用来采集压电陶瓷的充放电电流值I_f，该电流信号连接至电流信号调理电路(116)，经过处理后的充放电电流信号I_fAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD1进行充放电电流采样,DSP获得充放电电流I_f后能根据内部的程序实时调节MOSFET功率管T1(106)的驱动电压V_d1，以及MOSFET功率管T2(110)的驱动电压V_d2，即通过电流数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的高精度恒流充放电；分压电阻R1(114)与取样电阻R2(115)串联后并联在压电陶瓷(113)两端，用来采集压电陶瓷两端的电压U_f，该电压信号调理电路(117)对采集压电陶瓷两端的电压U_f进行处理，经过处理后的压电陶瓷电压信号U_fAD再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD转换输入端口AD2进行压电陶瓷电压采样，DSP获得压电陶瓷两端电压U_f后,能根据内部的程序实时关闭MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)，即通过电压数字闭环负反馈实现压电陶瓷(113)的充放电电压控制；

所述的DSPIC30F5013控制电路(101)由DSPIC30F5013高性能数字信号控制器及其外围电路组成，功能是通过两路SPI串行通讯接口调节MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)的门极驱动电压，从而实现压电陶瓷充放电电流的控制；

所述的光电隔离电路Ⅰ(102)和光电隔离电路Ⅱ(107)结构相同，都是由三组相同的光电隔离单元组成，共同实现SPI串行通讯信号的光电隔离；每组光电隔离单元包括光电隔离集成电路6N137(201)、光电隔离限流电阻R1(202)、输出上拉电阻R4(203)、晶体管Q1的上拉电阻R5(204)、晶体管Q1(205)，功能是将SPI串行通讯的数字信号通过光电耦合的方式进行隔离，实现低压端和高压端数字信号的隔离传输，最终实现高压端MOSFET功率管T1和T2的恒流驱动；

所述的高速高精度DA转换电路Ⅰ(103)和高速高精度DA转换电路Ⅱ(108)结构相同，都采用DAC8560转换电路，DAC8560是一款低功耗、电压输出、单通道、16位、3线制串行DA转换电路，串行通讯速率30MHz，能实现DA输出电压的快速设置，功能是将光电隔离电路Ⅰ(102)和光电隔离电路Ⅱ(107)传输过来的SPI串行通讯信号转换成模拟电压信号V_in1和V_in2输出；

所述的OPA548功率放大电路Ⅰ(104)和OPA548功率放大电路Ⅱ(109)结构相同，包括集成功率放大器OPA548(301)、输入电阻R6(302)、比例放大电阻R7(303)、反馈电阻R8(304)和使能电阻R9(305)，功能是组成功率放大电路将输入的模拟电压信号V_in1和V_in2放大转换成V_d1和V_d2，实现电压和驱动电流的放大，再连接至MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)；

所述的MOSFET功率管T1(106)和MOSFET功率管T2(110)采用FDA38N30 N沟道MOSFET,最高耐压值为300V，最大输出电流为38A，能满足压电陶瓷工作电压和驱动电流的需求；

所述的压电陶瓷充电驱动电源+VCC(105)采用的是通用AC/DC开关电源，输出电压能根据压电陶瓷的工作电压而定；

所述的压电陶瓷放电驱动电源-VEE(111)采用的是通用AC/DC开关电源，输出电压为-24V～-30V；

所述的电流传感器(112)采用ACS712霍尔电流传感器集成电路，功能是串联在压电陶瓷充放电电路中采集充放电电流；

所述的压电陶瓷(113)为叠堆压电陶瓷，功能是利用压电效应将施加在压电陶瓷两端的电压变换成压电陶瓷的位移；

所述的电流信号调理电路(116)由运放、电阻和电容组成，功能是将电流传感器(112)反馈的电流信号I_f进行放大和滤波，然后再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD1输入端口进行数字转换；

所述的电压信号调理电路(117)由运放、电阻和电容组成，功能是将分压电阻R1(114)与取样电阻R2(115)反馈的电压信号U_f进行放大和滤波，然后再连接至DSPIC30F5013控制电路(101)的AD2输入端口进行数字转换。