探索DRV2700：工业压电驱动器的卓越之选

在电子工程领域，压电驱动器的性能直接影响着众多应用的效果。今天，我们来深入了解德州仪器（TI）的DRV2700工业压电驱动器，它集成了升压转换器，为压电负载驱动提供了强大而灵活的解决方案。

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一、DRV2700的核心特性

1. 灵活的电压配置

DRV2700支持100 - V升压或1 - kV反激配置。在升压 + 放大器配置中，它能实现±100 - V的压电驱动；在反激配置下，可实现0到1 - kV的压电驱动。这种多样化的电压配置，能满足不同应用场景对电压的需求。

2. 增益可调和输出多样

该驱动器具备4个GPIO可调节增益，分别为28.8 dB、34.8 dB、38.4 dB和40.7 dB，能根据实际需求灵活调整增益。输出方面，支持差分或单端输出，并且可以进行AC和DC输出控制，同时采用低电压控制，方便与其他低电压设备集成。

3. 集成高效转换器

集成了升压或反激转换器，具有可调节的电流限制功能，还集成了功率FET和二极管。其采用的滞回架构能有效减少开关损耗，提高转换效率。而且，它的启动时间仅需1.5 ms，能快速响应系统需求。

4. 宽电源电压范围和小封装

电源电压范围为3.3至5.5 V，能适应多种电源环境。采用4 - mm × 4 - mm × 0.9 - mm的VQFN封装，体积小巧，适合对空间要求较高的应用。此外，其数字引脚与1.8 - V兼容，还具备热保护功能，保障了设备的稳定性和可靠性。

二、广泛的应用领域

DRV2700适用于多种压电相关的应用场景，如压电定位执行器、压电发声器驱动器、压电喷墨打印机、压电换能器以及压电微泵等。在这些应用中，DRV2700能充分发挥其高性能和灵活性的优势。

三、详细的技术剖析

1. 总体概述

DRV2700是一款单芯片压电驱动器，集成了105 - V升压开关、功率二极管和全差分放大器。它能驱动高、低电压的压电负载，输入信号可以是差分或单端的。

2. 功能模块

• 升压转换器和控制回路：通过集成的DC - DC转换器产生高达105 V的升压电源轨。采用滞回升压设计，能减少开关损耗，提高效率。不过，滞回转换器的输出纹波可能会较大，具体取决于输出电容和负载。
• 高压放大器：与升压转换器配合使用时，PVDD引脚紧邻BST引脚，可将高压信号直接反馈给放大器。作为差分放大器，它具有良好的共模抑制比（CMRR），能降低接地偏移相关的噪声注入。但在使用时需注意热问题，高频率、电压和电容负载的组合可能会导致设备过热。
• 快速启动功能：当EN引脚从低电平变为高电平时，升压电源开启，输入电容预充电至(V_{DD}/2)，放大器在1.5 ms（典型值）内完成启动。但在AC耦合且输入电容较大时，输入充电可能需要额外时间，启动时可能会存在较小的差分输出电压。
• 增益控制：通过GAIN[1:0]位可对增益进行编程，不同的组合对应不同的增益值，能满足不同输出电压的需求。
• 可调升压电压：通过外部电阻分压器可调整升压输出电压，应将其设置为比系统中最大峰值电压高5 V，以确保放大器有足够的余量。同时，为减少泄漏电流，建议(R{(FB1)})和(R{(FB2)})的电阻之和大于500 kΩ。
• 可调升压电流限制：通过REXT引脚连接到地的电阻来调整升压开关的电流限制，为保护设备，REXT引脚的电阻值应在7.5 kΩ至32.5 kΩ之间。并且，编程的电流限制必须小于所选电感器的额定饱和限制，否则可能导致输出电压失真。
• 内部电荷泵：集成的电荷泵为内部节点提供栅极驱动，VPUMP引脚需连接一个0.1 µF、电压额定值为10 V或更高的X5R或X7R存储电容，该引脚不能作为外部参考或驱动器使用。
• 热关断功能：内部温度传感器可在温度超过阈值时关闭升压转换器和放大器，当温度下降到阈值以下且EN引脚为高电平时，设备自动重启。但应避免使设备进入热关断状态。

四、典型应用案例分析

1. AC - 耦合DAC输入应用

常用于压电扬声器应用，AC耦合能使设备仅放大输入的差分部分，减少共模放大。在设计时，需要考虑多个参数，如输入电压、输出电压、最大输出频率等。具体步骤如下：

• 压电负载选择：从驱动器角度，关键电气规格是电压额定值和电容。不同的电容和频率组合会影响驱动效果，例如在驱动1 kHz左右的音频音调时，可能需要较低电容的压电元件或较低的驱动电压。
• 编程升压电压：根据系统配置，使用外部网络和相应公式计算输出电压。BST引脚应设置为比系统中最大峰值电压高5 V，同时要注意电阻值的选择，以减少泄漏电流。
• 电感器和变压器选择：电感器的电感值和饱和电流限制会影响开关频率和输出电流。一般来说，较大电感值的电感器开关损耗较小，但ESR可能较高；较小电感值的电感器饱和电流较高，更适合需要大输出电流的情况。对于变压器，应根据所需输出电压选择合适的绕组比。
• 编程升压和反激电流限制：通过(R_{(REXT)})电阻设置电感的峰值电流限制，该限制与所选电感值无关，但电感需能承受该编程限制。
• 升压电容选择：升压输出电压最高可达105 V，应选择电压额定值至少等于升压输出电压的电容，如100 - nF、250 - V额定的X5R或X7R类型电容。若需要更小的纹波，可选择更大的电容。
• 下拉FET和电阻：在某些情况下，下拉FET和电阻可用于加快高压输出的电荷放电。但在升压 + 放大器配置中，可能不需要这些元件。
• 低电压操作：当不需要较高的输出电压时，可将升压转换器编程为较低电压，以提高效率。但此时需要调整升压电容和输入范围，以避免削波。
• 电流消耗计算：将压电元件建模为纯电容，可通过相关公式计算电流消耗。在电源端，执行器电流需乘以升压电源比并除以升压转换器的效率。
• 输入滤波器考虑：根据输入信号的质量，可能需要使用输入滤波器。如果使用PWM信号，至少需要一阶RC滤波器，PWM采样率应大于30 kHz，以减少纹波和功耗。
• 输出限制因素：输出可能受到放大器带宽、电流限制、压摆率和热关断等因素的影响。在设计时，需要综合考虑这些因素，以确保输出的稳定性和准确性。
• 启动和关断顺序：遵循正确的启动和关断顺序，可确保设备的平稳运行。在升压 + 放大器模式和反激模式下，启动和关断步骤有所不同。

2. 其他应用

除了AC - 耦合DAC输入应用，DRV2700还可用于滤波AC耦合单端PWM输入应用、DC - 耦合DAC输入应用、DC - 耦合参考输入应用和反激电路等。这些应用各有特点，能满足不同的实际需求。

五、电源和布局建议

1. 电源建议

推荐使用3.3至5.5 V的电源，在VDD引脚附近放置一个0.1 - µF、低等效串联电阻（ESR）的X5R或X7R类型的电源旁路电容，其电压额定值至少为10 V。内部电荷泵需要在PUMP引脚和地之间连接一个0.1 - µF、电压额定值为10 V或更高的X5R或X7R类型电容。

2. 布局建议

• 升压 + 放大器配置：使用数据手册中规定的热足迹，将DRV2700的散热垫直接焊接到PCB的散热垫上，并通过热过孔将其连接到接地网。将升压编程电阻（(R{FB1})和(R{FB2})）靠近FB引脚，可减少FB电压和SW信号之间的串扰。保持BST走线和平面尽可能大，以减少电阻和电感。
• 反激配置：同样需要使用规定的热足迹，将散热垫焊接到PCB上并连接到接地网。尽量减少SW节点的电容，可将变压器靠近SW引脚，并移除变压器焊盘下方的接地平面。

六、总结与思考

DRV2700工业压电驱动器凭借其丰富的特性和广泛的应用场景，为电子工程师提供了一个强大而可靠的解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择参数和布局，以充分发挥DRV2700的性能优势。同时，我们也应该关注设备的热问题和电流限制等因素，确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用DRV2700的过程中，有没有遇到过一些特别的问题或有独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。