驱动电路以及压电执行器的制作方法

1.本技术属于电子电路技术领域，尤其涉及驱动电路以及压电执行器。


背景技术：

2.如今触觉反馈的应用越来越多，如智能手表和运动手环等可穿戴设备上的触觉效果对用户来说非常重要，选择高质量的触觉引擎对提升用户满意度必不可少。但通常用于小型可穿戴设备的主要执行器线性马达和转子马达受限于体积大小，如果要高性能就需要大尺寸，但是小型设备空间有限，导致最终产生的触觉效果较差。而利用压电陶瓷作为致动元器件实现触觉反馈的压电执行器，具有响应速度快，驱动频带宽，振动强度大，振动体验感觉细腻真实，声学噪声小，功耗低，体积小等优点，可广泛应用于低功耗、空间受限的设备，实现高质量的触觉反馈。而现有的压电执行器面临着的驱动电压高(100～200vpp)、驱动波形和反应速度的控制难度大等问题。
3.对于驱动压电执行器，开关放大器是一种很有前途的替代方案，它实现相对高效、小尺寸和低重量。开关电源将无源元件与有源半导体开关结合起来，在电源和负载之间频繁有效地传递能量，最适合实现小型化电路。现有的双向降压-升压电路在正向工作时只能升压，意味着输出只能大于输入，当实现低于输入电压的输出时，需要进行额外的补偿操作。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供驱动电路以及压电执行器，旨在解决传统的压电执行器的驱动电路存在的只能升压的问题。
5.本技术实施例的第一方面提供了一种驱动电路，包括：升降压电路，所述升降压电路被配置为根据调压控制信号工作在对应的调压模式，以用于将输入电压转换成单极性的折叠信号并输出；所述调压模式包括正向升压模式、反向升压模式、正向降压模式和反向降压模式；全桥逆变电路，与所述升降压电路连接，所述全桥逆变电路被配置为根据极性翻转信号翻转部分所述折叠信号的极性，以用于将所述折叠信号展开成目标驱动信号并输出；控制电路，与所述升降压电路和所述全桥逆变电路连接，所述控制电路被配置为根据参考信号生成所述调压控制信号和所述极性翻转信号，所述参考信号与所述目标驱动信号相对应。
6.其中一实施例中，所述升降压电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第一电感；所述第一开关管的第一导通端连接所述升降压电路的输入正极，所述第一开关管的第二导通端连接所述第二开关管的第一导通端，所述第二开关管的第二导通端连接所述升降压电路的输入负极；所述输入正极和所述输入负极用于接收所述输入电压；所述第三开关管的第一导通端连接所述升降压电路的输出正极，所述第三开关管的第二导通端连接所述第四开关管的第一导通端，所述第四开关管的第二导通端连接所述升降压电路的输出负极；所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管
的控制端均与所述控制电路连接，以用于接收所述调压控制信号；所述第一电感连接在所述第一开关管的第二导通端与所述第三开关管的第二导通端之间；所述输入负极与所述输出负极连接。
7.其中一实施例中，所述升降压电路还包括第一电容，所述第一电容连接在所述输出正极和所述输出负极之间。
8.其中一实施例中，在所述升降压电路根据所述调压控制信号工作在所述正向升压模式和所述反向降压模式时，所述第一开关管保持导通，所述第二开关管保持关断，所述第三开关管和所述第四开关管互补导通。
9.其中一实施例中，在所述升降压电路根据所述调压控制信号工作在所述正向降压模式和所述反向升压模式时，所述第一开关管和所述第二开关管互补导通，所述第三开关管保持导通，所述第四开关管保持关断。
10.其中一实施例中，所述全桥逆变电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；所述第五开关管的第一导通端连接所述升降压电路的输出正极，所述第五开关管的第二导通端连接所述第六开关管的第一导通端并与第一负载端连接，所述第六开关管的第二导通端连接所述升降压电路的输出负极；所述第七开关管的第一导通端连接所述升降压电路的输出正极，所述第七开关管的第二导通端连接所述第八开关管的第一导通端并与第二负载端连接，所述第八开关管的第二导通端连接所述升降压电路的输出负极；所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第八开关管的控制端均与所述控制电路连接，以用于接收所述极性翻转信号；所述第一负载端和所述第二负载端用于输出所述目标驱动信号。
11.其中一实施例中，所述控制电路包括相互连接的采样单元和控制单元；所述采样单元与所述升降压电路连接，用于采集所述折叠信号以及采集流经所述升降压电路的采样电流，并输出至所述控制单元；所述控制单元与所述升降压电路和所述全桥逆变电路连接，被配置为根据所述参考信号生成所述调压控制信号和所述极性翻转信号，并根据所述折叠信号、所述采样电流对所述调压控制信号和所述极性翻转信号进行反馈控制；所述调压控制信号和所述极性翻转信号用于分别控制对应的开关管导通或关断。
12.其中一实施例中，所述升降压电路包括第二电感、第三电感、第九开关管、第十开关管、第二电容和第三电容；所述第二电感、所述第二电容和所述第三电感依次串联在所述升降压电路的输入正极和所述升降压电路的输出正极之间；所述第九开关管的第一导通端连接所述第二电感的第一端，所述第九开关管的第二导通端连接所述升降压电路的输入负极；所述第十开关管的第一导通端连接所述第二电感的第二端，所述第十开关管的第二导通端连接所述升降压电路的输出负极；所述第三电容连接在所述输出正极和所述输出负极之间；所述输出负极与所述输入负极连接。
13.其中一实施例中，所述升降压电路包括第四电感、第五电感、第十一开关管、第十二开关管、第四电容和第五电容；所述第四电感连接在所述第十一开关管的第一导通端与所述升降压电路的输入正极之间，所述第十一开关管的第二导通端连接所述升降压电路的输入负极；所述第十二开关管的第一导通端连接所述升降压电路的输出正极，所述第十二开关管的第二导通端连接所述第十一开关管的第一导通端，所述第五电感连接在所述第十二开关管的第二导通端与所述升降压电路的输出负极之间；所述第四电容连接在所述输入
负极和所述输出负极之间，所述第五电容连接在所述输出正极和所述输出负极之间。
14.本技术实施例的第二方面提供了一种压电执行器，包括致动单元和如上述的驱动电路，所述全桥逆变电路与所述致动单元连接，所述致动单元为电容性致动器。
15.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：上述的升降压电路具有多种电压调制模式，在无需增加额外的补偿电路的情况下就可以根据调压控制信号输出单极性的折叠信号，最终通过全桥逆变电路输出目标驱动信号。
附图说明
16.图1为本技术第一实施例提供的驱动电路的原理图；
17.图2为本技术第一实施例提供的驱动电路的结构图；
18.图3为本技术第一实施例提供的控制电路的原理图；
19.图4为本技术实施例的信号波形图；
20.图5为本技术第二实施例提供的驱动电路的结构图；
21.图6为本技术第三实施例提供的驱动电路的结构图；
22.图7为本技术第四实施例提供的压电执行器的电路结构图。
23.上述附图说明：100、升降压电路；200、全桥逆变电路；300、控制电路；310、采样单元；320、控制单元；40、驱动电源；50、致动单元。
具体实施方式
24.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
25.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.图1示出了本技术第一实施例提供的驱动电路原理图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
28.一种驱动电路，包括：升降压电路100、全桥逆变电路200和控制电路300。升降压电路100被配置为根据调压控制信号工作在对应的调压模式，以用于将输入电压ui转换成单极性的折叠信号uc并输出。调压模式包括正向升压模式、反向升压模式、正向降压模式和反向降压模式。全桥逆变电路200与升降压电路100连接，被配置为根据极性翻转信号翻转部分折叠信号uc的极性，以用于将折叠信号uc展开成目标驱动信号uo并输出。控制电路300与升降压电路100和全桥逆变电路200连接，被配置为根据参考信号生成调压控制信号和极性翻转信号，参考信号与目标驱动信号uo相对应。
29.上述的升降压电路100具有多种电压调制模式，在无需增加额外的补偿电路的情
况下就可以根据调压控制信号对输入电压ui进行升压或降压，以输出单极性的折叠信号uc，最终通过全桥逆变电路200输出目标驱动信号uo。
30.如图2、图4所示，当升降压电路100工作在正向升压模式时，升降压电路100可以输出电压值大于输入电压ui且电压变化斜率为正的折叠信号uc。当升降压电路100工作在反向升压模式时，升降压电路100可以输出电压值大于输入电压ui且电压变化斜率为负的折叠信号uc。当升降压电路100工作在正向降压模式时，升降压电路100可以输出电压值小于输入电压ui且电压变化斜率为正的折叠信号uc。当升降压电路100工作在反向降压模式时，升降压电路100可以输出电压值小于输入电压ui且电压变化斜率为负的折叠信号uc。
31.如图4所示，本实施例的目标驱动信号uo的波形为三角波，但也可以是方波、正弦波等，本实施例不对目标驱动信号uo的波形进行限制。
32.与传统的驱动电路相比，当本实施的升降压电路100工作在反向升压模式或反向降压模式时，电路中的电流方向发生反向，还可以实现对电能的回收，提高电能的使用效率。
33.如图1、图2、图3、图4所示，本实施例中，升降压电路100可以是四开关buck-boost电路，升降压电路100包括第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4和第一电感l1。
34.第一开关管q1的第一导通端连接升降压电路100的输入正极vi+，第一开关管q1的第二导通端连接第二开关管q2的第一导通端，第二开关管q2的第二导通端连接升降压电路100的输入负极vi-，输入正极vi+和输入负极vi-用于接收输入电压ui，具体地，输入正极vi+用于连接驱动电源40的正极，输入负极vi-用于连接驱动电源40的负极，驱动电源40用于提供输入电压ui。第三开关管q3的第一导通端连接升降压电路100的输出正极vc+，第三开关管q3的第二导通端连接第四开关管q4的第一导通端，第四开关管q4的第二导通端连接升降压电路100的输出负极vc-；第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3和第四开关管q4的控制端均与控制电路300连接，以用于接收调压控制信号。第一电感l1连接在第一开关管q1的第二导通端与第三开关管q3的第二导通端之间。本实施例中，输入负极vi-和输出负极vc-连接。
35.具体地，第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3和第四开关管q4均为nmos管，nmos管的漏极对应第一导通端，nmos管的源极对应第二导通端，nmos管的栅极对应控制端。
36.需要说明的是，当升降压电路100工作在正向升压模式以及反向降压模式时，调制控制信号控制第一开关管q1和第二开关管q2互补导通、第三开关管q3导通、第四开关管q4关断，通过分别配置传输至第一开关管q1和第二开关管q2的调制控制信号的占空比的大小，实现对折叠信号uc的电压调制，以及改变第一电感l1中的电流方向。
37.当升降压电路100工作在正向降压模式以及反向升压模式时，调制控制信号控制第一开关管q1导通、第二开关管q2关断、第三开关管q3和第四开关管q4互补导通，通过分别配置传输至第三开关管q3和第四开关管q4的调制控制信号的占空比的大小，实现对折叠信号uc的电压调制，以及改变第一电感l1中的电流方向。
38.与现有的双向降压-升压电路相比，本实施例的第一电感l1所承受的电压应力更小，可以采用耐压较低的电感器，达到节约成本以及降低芯片面积的效果。
39.本实施例中，升降压电路100还包括第一电容c1，第一电容c1连接在输出正极vc+和输出负极vc-之间，用于保持折叠信号的稳定。
40.需要说明的是，当本实施的升降压电路100工作在反向升压模式或反向降压模式时，电路中的电流方向发生反向，可以将第一电容c1上的电能回收至驱动电源40。
41.如图2、图3所示，本实施例中，全桥逆变电路200包括第五开关管q5、第六开关管q6、第七开关管q7和第八开关管q8。第五开关管q5的第一导通端连接输出正极vc+，第五开关管q5的第二导通端连接第六开关管q6的第一导通端并与第一负载端out1连接，第六开关管q6的第二导通端连接输出负极vc-。第七开关管q7的第一导通端连接输出正极vc+，第七开关管q7的第二导通端连接第八开关管q8的第一导通端并与第二负载端out2连接，第八开关管q8的第二导通端连接输出负极vc-。第五开关管q5、第六开关管q6、第七开关管q7和第八开关管q8的控制端均与控制电路300连接，以用于接收极性翻转信号；第一负载端out1和第二负载端out2用于输出目标驱动信号uo。
42.具体地，第五开关管q5、第六开关管q6、第七开关管q7和第八开关管q8均为npn三极管，npn三极管的集电极对应第一导通端，npn三极管的发射极对应第二导通端，npn三极管的基极对应控制端。
43.如图2、图3、图4所示，需要说明的是，由于折叠信号uc为单极性的信号，可以设当极性翻转信号控制第五开关管q5和第八开关管q8导通、第六开关管q6和第七开关管q7关断时，第一负载端out1和第二负载端out2之间的电压极性为正，则当极性翻转信号控制第五开关管q5和第八开关管q8关断、第六开关管q6和第七开关管q7导通时，第一负载端out1和第二负载端out2之间的电压极性发生翻转，此时的电压极性为负，即将部分折叠信号uc的极性进行翻转，从而可以通过控制第五开关管q5、第六开关管q6、第七开关管q7和第八开关管q8的导通与关断将单极性的折叠信号uc转换为高摆幅的目标驱动信号uo。
44.如图2、图3所示，本实施例中，控制电路300包括相互连接的采样单元310和控制单元320。采样单元310与升降压电路100连接，用于采集折叠信号uc以及采集第一电感l1上的电感电流il，并输出至控制单元320。控制单元320可以是pi控制器(proportional integral controller；比例积分控制器)，被配置为根据参考信号生成调压控制信号和极性翻转信号，并根据折叠信号uc、电感电流il对调压控制信号和极性翻转信号进行反馈控制。调压控制信号和极性翻转信号用于分别控制对应的开关管导通或关断。
45.具体地，参考信号包括了目标驱动信号uo的波形、频率和电压幅值等参数，控制单元320可以根据参考信号输出对应的调压控制信号和极性翻转信号，以在第一负载端out1和第二负载端out2生成目标驱动信号uo。同时，控制单元320还可以根据参考信号得到理论电感电流值和理论电压幅值，并将理论电感电流值和理论电压幅值分别与采集到的电感电流il和折叠信号uc进行对比后对调压控制信号和极性翻转信号进行反馈控制，用于当折叠信号uc的电压值与输入电压ui的电压值之间的大小关系变化时，改变升降压电路100的工作模式，同时也用于减小输出的目标驱动信号uo的误差，提高抗干扰能力。
46.图5示出了本技术第二实施例提供的驱动电路的结构图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
47.与第一实施例不同的是，本实施例的升降压电路100可以是双向cuk电路，升降压电路100包括第二电感l2、第三电感l3、第九开关管q9、第十开关管q10、第二电容c2和第三
电容c3；第二电感l2、第二电容c2和第三电感l3依次串联在输入正极vi+和输出正极vo+之间；第九开关管q9的第一导通端连接第二电感l2的第一端，第九开关管q9的第二导通端连接输入负极vi-；第十开关管q10的第一导通端连接第二电感l2的第二端，第十开关管q10的第二导通端连接输出负极vo-；第三电容c3连接在输出正极vo+和输出负极vo-之间；输出负极vo-与输入负极vi-连接。
48.具体地，第九开关管q9和第十开关管q10均为nmos管，nmos管的漏极对应第一导通端，nmos管的源极对应第二导通端，nmos管的栅极对应控制端。
49.控制电路300可以输出对应的调压控制信号以控制本实施例的升降压电路100生成并输出折叠信号uo。
50.与第一实施例相比，本实施例所使用的晶体管更少，但电感和电容较多，难以控制。
51.图6示出了本技术第三实施例提供的驱动电路的结构图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
52.与上述任一实施例不同的是，本实施例的升降压电路100可以是双向sepic-zeta电路，升降压电路100包括第四电感l4、第五电感l5、第十一开关管q11、第十二开关管q12、第四电容c4和第五电容c5；第四电感l4连接在第十一开关管q11的第一导通端与输入正极vi+之间，第十一开关管q11的第二导通端连接输入负极vi-；第十二开关管q12的第一导通端连接输出正极vo+，第十二开关管q12的第二导通端连接第十一开关管q11的第一导通端，第五电感l5连接在第十二开关管q12的第二导通端与输出负极vo-之间；第四电容c4连接在输入负极vi-和输出负极vo-之间，第五电容c5连接在输出正极vo+和输出负极vo-之间。
53.具体地，第十一开关管q11和第十二开关管q12均为nmos管，nmos管的漏极对应第一导通端，nmos管的源极对应第二导通端，nmos管的栅极对应控制端。
54.控制电路300可以输出对应的调压控制信号以控制本实施例的升降压电路100生成并输出折叠信号uo。
55.与第一实施例相比，本实施例所使用的晶体管更少，但电感和电容较多，难以控制。
56.图7示出了本技术第四实施例提供的压电执行器的电路结构图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
57.如图1-7所示，一种压电执行器，包括致动单元50和如上述任一实施例的驱动电路，图7所示的电路结构图中采用了第一实施例，全桥逆变电路200与致动单元50连接。
58.本实施例中，致动单元50为电容性致动器，具体地，电容性致动器可以是压电陶瓷。
59.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
60.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
61.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。