pg模拟器网址:AB类与D类功放：压电驱动电路设计取舍分析

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  本文将探讨压电放大器设计中该选用 AB 类还是 D 类输出级，并详解 D 类输出级对电源的特殊要求。

  压电驱动器所采用的输出级拓扑，会从根本上影响整套压电定位系统的整体性能。因此在设计压电放大器时，必须根据压电装置的实际工况选择适配的输出架构。

  本文为三篇系列文章终篇，旨在帮助硬件工程师做出合理选型。全文仅对比行业压电系统最常用的两种方案：AB 类输出级、D 类输出级。

  系列第一篇介绍了压电驱动器整体性能指标，并讲解 AB 类输出级工作原理；第二篇专门分析 D 类压电驱动器；本篇作为收尾，先完整阐述 D 类输出级的电源设计的基本要求，再针对不一样应用场景对比 AB 类、D 类输出级的优劣得失。

  先回顾前两篇文章的核心电路原理图。图 1 为 AB 类压电驱动器输出级电路。

  图 1（点击放大）：推挽式 AB 类输出级，适配电压反馈型放大器，负载为容性压电陶瓷。

  图 2（点击放大）：D 类半桥开关输出级，适配电压反馈型放大器，负载为容性压电陶瓷。

  此前介绍 D 类电路时受篇幅限制，未展开电源需求相关联的内容。在对比两类架构优劣前，先补足这一关键要点。

  D 类输出级能普及的核心优势是电源转换效率高，但带来高效率的开关工作模式，在带电抗负载时会产生独特设计难点：配套电源一定要具有双向能量吞吐能力，既能向外输出功率，也能吸收负载回馈的能量。

  假设负载电流(I_{load})、电感滤波电流(I_{Lf})均为正向。上管导通时，正电源支路电流(I_{VP})为正，正电源(V_P)向外供电。

  当输出级切换至下管导通，电感电流幅值基本维持不变，电流方向仍为正向，但此时电流会流入负电源支路，(I_{VN})为负值，电流从负电源(V_N)正极流入、负极流出，负电源不再向外供电，反而需要吸收回馈电能。

  采用单电源全桥拓扑可在某些特定的程度上缓解该问题：一个完整 PWM 周期内，同一电源端子既向外输送能量，又接收负载回馈能量，搭配去耦电容即可平滑能量波动。纯电阻负载仅消耗有功功率，采用该方案无需双向电源即可稳定工作。

  但压电陶瓷属于容性负载，这套简化方案无法完全解决能量回馈问题。结合图 2 分析：当负载电压(V_{load})为正、负载电流(I_{load})为负，或是负载电压为负、负载电流为正时，能量都会从容性负载回流至电源，表现为(I_{VP})或(I_{VN})出现负向电流。

  若压电负载持续满带宽往复充放电，半数工作周期都一定会出现能量回流现象，根源来自理想压电容性负载的阻抗公式：

  想要回收回馈能量，放大器配套电源必须支持双向电流流通。全桥架构可以省去负电源，但即便如此，驱动容性压电负载时，剩余单路正电源依然要求双向能量吞吐能力。

  由此引出选用 D 类输出级的关键电源约束：同一路电源必须既能输出电流，也能吸收回流电流。可行方案包含回馈式电源、本地储能单元，部分电池供电系统也可适配该需求，视具体应用而定。

  图 3：电源四象限运行模式。第二、第四象限代表电源吸收回馈能量，普通单向电源不具备该能力。

  简单总结：半桥 D 类架构需要两路电源，才能覆盖图 3 全部四种工作象限；全桥 D 类架构仅需一路正电源，同时工作在第一象限（向外供电）与第二象限（吸收能量）即可满足需求。

  AB 类放大器驱动容性压电负载做全行程往复运动时，容性无功功率会全部消耗在输出功率管上转化为热量。峰值功耗计算公式如下：

  如果设备需要压电陶瓷全程满幅运动，尤其是大容量压电片（(C_l)大）、高速动态往复（带宽(f_{fp bw})高）、驱动电压摆幅大（(V_{pp})高）的工况，不适合选用 AB 类输出级。热管理难度会大幅度降低整机可靠性，必须配备体积非常庞大的散热片，甚至存在器件过热失效风险。

  反观 D 类输出级，容性压电负载周期性充放电时，能量仅在负载与电源之间往复交换，整机发热极低，即便长时间满行程工作温升也可控，设备整机体积可以做的更加紧凑。

  D 类放大器输出会残留 PWM 开关频率对应的纹波，纹波峰峰值由 LC 输出滤波网络、供电电压、PWM 载波频率共同决定。对杂散微振动敏感的设备不适合使用 D 类架构。

  AB 类电路无高频开关动作，不存在开关纹波，对无法容忍高频扰动的高精度设备是首选。

  补充说明：高精度设备同时要求高小信号带宽、低噪声指标，这类性能由整套放大器架构共同决定，不单单取决于输出级。抛开纹波差异，AB 类与 D 类均可实现低噪声、高小信号带宽设计。

  AB 类输出级可搭配常规单向电源（仅能向外供电、无法吸收回馈电能）；而 D 类必须配置双向电源，半桥方案甚至需要多路独立电源。电源设计难度上 AB 类更简单。

  D 类输出级存在高频 PWM 开关动作，开关基波与谐波会产生电磁辐射，必须额外增加 EMI 抑制电路；AB 类无高频开关，不存在该类干扰。

  多用于短行程、超高精度机电一体化设备；适配需要高小信号带宽、抑制外界机械微扰动（抖动）的动态控制系统，可轻轻松松实现几千赫兹小信号带宽。

  设备需要大行程、长距离机械往复运动时优先选用；尤其适配大容量压电负载（峰值电流、驱动电压高）。即便整机供电功率充足，AB 类方案的发热问题依然难以规避。

  最后补充：以上各项性能指标的权重，需要结合整机压电驱动系统架构与实际使用工况综合判断，不存在绝对最优方案。