压电效应是指某些固体材料在机械应力下被压缩，通过累积电荷而产生电压电位。法国物理学家雅克和皮埃尔居里兄弟在1880年发现了这种效应。逆压电效应是当电压施加到某些陶瓷材料上时，引起膨胀或收缩，如图1所示。在其后的近100年时间里，在寻找优质压电材料（即PZT）方面取得了很大的进步，也发明了许多实用的压电器件。
图1：当施加的电压从正极摆动到负极时，压电器件随之膨胀/收缩。
如今大多数压电（有时称为PZT）器件采用逆压电效应，这类器件包括：压电执行器、电机、扬声器/蜂鸣器，以及用于清洁、成像和悬浮的大功率超声换能器等。有一些PZT器件可在直流电压下工作，有些则由AC波形驱动，如正弦波和方波等。我们来讨论一下压电器件的基本原理及驱动技术。
压电器件通常需要高电压才能工作，所需电压范围在10V到200V之间。对于AC器件，所需频率高达1MHz。另外，压电器件通常是容性的（谐振除外）。大电容、高频和高电压的要求使得驱动这类器件变得相当困难。
压电器件制造商通常会给出器件在特定频率下的电容。对于一阶近似，大多数非谐振压电器件可近似为电容器，如图2所示。阻抗用公式1表示，驱动PZT器件所需的电流由欧姆定律计算，如公式2所示。根据公式2，电流(I)与电压(V)）、电容(C)和频率(f)成正比。
图2：压电器件近似于电容。
我们举例来说明一下。对于电容为1.1µF的高频压电驱动器，所需的峰值电压为30V，驱动频率为15kHz，驱动器所需的峰值电流约为2.5A（峰峰值为5.0A）。压电驱动器必须能够同时输出大电流、高电压和高频率。更高的频率需要更大的电流。
如前所述，压电换能器的工作电压范围可能是10V至200V或更高。此外，具有大电容、高电压或高频率的任何组合的AC压电器件需要大电流驱动器。实验室中常见的信号和函数发生器可以在50Ω负载下输出低于5V的电压。当PZT换能器阻抗低于50Ω时，它们的输出电压甚至更低。压电器件通常需要20V或更高的电压。因此，驱动这种换能器需要具有高输出电压和高输出电流的压电放大驱动器。
例如，执行器/电机指定40V峰值电压，但实验室信号发生器只能输出5V电压或更低。为了得到40V的方波，就要使用压电放大驱动器来提升发生器信号并输出高电压和大电流来驱动压电执行器。图3显示了压电换能驱动器的一个示例。请注意，驱动器会放大电压、电流和功率的组合。
图3：压电放大器向换能器输出高电压和大电流。
在选择驱动器之前先了解压电器件的电压要求非常重要。一些压电换能器仅需要峰峰值电压幅度，而其它的则指定从零到峰值电压。例如，超声换能器仅需要峰峰幅度来产生超声电平，它可以接受从负到正的电压摆动，比如正弦波电压摆幅为-30V至+30V，即60Vpp。另一方面，执行器需要零到峰值电压才能正常工作，比如0V至+40V方波。总之，了解PZT器件的电压规格并选择可满足电压范围要求的驱动器至关重要。
如前所述，两种常见的压电器件在谐振频率下分别表现出容性和阻性。这两种类型的器件对功率要求是不同的。我们先来看看容性器件。
许多高频压电换能器/器件本质上是容性的，其阻抗可通过前面的公式1得到。回想一下基本的电气工程原理，电容的阻抗等于其反应成分（reactant），这意味着该器件的阻抗是虚数（用j表示），而没有真正的电阻。无功器件本身不会吸收或耗散功率，因此加给器件的功率被认为是无功功率。无功功率仍需要在某处耗散，它是在PZT放大驱动器内部耗散，而不是在器件上耗散。结果，加热是在压电驱动器上，而不是PZT器件本身。无功功率可用公式3表示，其中阻抗(Z)来自公式1，电流(I)来自公式2。我们使用RMS电压值来计算RMS电流和功率。当选择驱动器时，请确保驱动器可以处理无功功率。
如前所述，容性压电元件不会消耗功率。放大器内部消耗的所有无功功率都会限制其输出电流和电压。压电器件在电压下工作，而非必需的电流或功率，尽管需要大电流来维持电压，特别是在高频下。如果放大器受到散热的限制，可以使用简单的电阻匹配技术来更好地优化放大器功耗，从而提高输出电压和电流。增加一个串联电阻，阻抗就有一个实部，并在压电放大器外部耗散功率，如图4所示。一些热量会在电阻上消散。
图4：串联电阻通过降低无功功率来增加放大器输出电压。
推荐的电阻范围是从0.25Z（压电阻抗的一半）到Z。压电阻抗Z可通过前面的公式1计算。例如，对于在20kHz频率下阻抗为8jΩ的PZT来说，通过公式1计算出串联电阻可能是2~8Ω。
只有当压电驱动器由于无功功率和内部发热过大而无法输出最大电压时，串联电阻阻抗匹配技术才有用，而且这种技巧仅适用于正弦波形。另外，一些放大器的稳定可能是有条件的。串联电阻将改善放大器的稳定性。
图5显示了串联电阻如何在不显著降低电压的情况下缓解压电放大器的散热。对于容性器件，电压和电流相移约为90°。当电流最大时，电压接近零。因此，串联电阻不会影响电压。当电压最大时，电流最小。此时，由电阻引起的IR下降很小，因此峰值电压的降低最小。匹配电阻吸收的功率很大，可以降低驱动器的散热。公式4可以计算串联电阻的功耗。电阻会很热，所以要确保选择额定功率高的电阻。还要选择低电感电阻，特别是对高频PZT器件。总负载阻抗（压电加电阻）可通过公式5计算。
图5：压电换能器上的电压和电流偏移大约为90°。
图6的示例是将双极放大器转换为压电器件的单极高压，并在高频下同时驱动大电流和高功率。PZT元件的电容为1µF，它需要80V的峰值电压（0到80V正弦波）。所期望的正弦电压频率为11kHz。这种压电放大器的输出电压为-40V至+40V。由于放大器驱动器电压没有达到所要求的80V，所以使用直流偏置电源，如图6所示。
压电放大器与4Ω功率电阻和一个隔离40V直流电源串联，需要外部旁路电容来最大限度地减少通过电源的交流电流。旁路电容应足够大，以便其阻抗与PZT阻抗相比足够小。在此示例中，使用公式1计算的压电执行器阻抗在11kHz时为14.47Ω。旁路电容的阻抗应尽可能低，建议小于0.5Ω（>29µF）。
通过公式5计算出的总负载阻抗约为15.0Ω，峰值电流约为±2.67A（5.34App）。无论电流为正还是负，压电器件两端的电压始终为正，介于0V到约77V之间，这是用峰峰值电流乘以14.47Ω阻抗计算得出的。通过公式4，可以计算出串联电阻消耗的功率约为14.3W。
图6：直流偏置电源与压电放大器结合产生高输出电压。
这里详细讨论了使用高压放大器来驱动高容性压电器件。高电压、高频和大电容的组合需要一个大电流压电放大器。这些器件需要无功功率，这进一步增加了放大器的负担。一个应用示例使用了DC电源来提升电压，以及一个串联电阻来简化压电放大器的散热处理。
（原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站，参考链接：High-frequency piezo amplifier driver。）
本文为《电子技术设计》2019年4月刊杂志文章。
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