一种超声波换能器桥式驱动电路及其阻抗匹配方法与流程

1.本发明属于超声波换能器驱动技术领域，涉及一种超声波换能器桥式驱动电路及其阻抗匹配方法。


背景技术：

2.超声波换能器的驱动技术是实现电能量转换为机械能量的基础，它按照一定规律激励超声波换能器，再由换能器转换为超声波向外发射。为保证换能器发生声波强度的最大化，在驱动电路中引入阻抗匹配电路，使得驱动电路及换能器整体呈现纯电阻特性，此时电路的耦合状况最佳、输出功率最大。
3.目前为超声波换能器提供交变电压的驱动电路主要分为以下形式：
4.(1)变压器驱动。驱动电路中主要包括mos管和变压器，一般来说驱动电路设计在变压器的原边，而超声波换能器则设置在变压器的副边。该驱动方式通过控制脉冲来控制mos管的导通或截止，当mos管导通时，变压器的副边产生高压，当mos管截止时，变压器副边电压为零。(2)推挽驱动电路驱动，这种驱动电路通常需要配合升压电路使用，静态功耗较高。(3)专用芯片驱动。根据芯片的不同，超声波换能器可分为单极性驱动和双极限驱动，单极性驱动超声波换能器的其中一脚接地，另一引脚则接驱动芯片，双极性驱动超声波换能器两脚都接芯片。芯片由控制器脉冲信号进行触发，大部分芯片并未集成升压电路，因此该方法通常也需要配合升压电路使用，电路成本较高。
5.超声波换能器在谐振频率点附近通常情况下呈现容性，因此其阻抗匹配网络一般采用l、lrc型，其中电感的取值往往为mh级，造成了匹配电路体积较大，且常需要定制，提高了电路成本，并且不利于电路设计。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超声波换能器桥式驱动电路及其阻抗匹配方法，将匹配电感设置在变压器原边，并通过电容、电感的双重调节，提高匹配电路设计的灵活性。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.方案一、一种超声波换能器桥式驱动电路，其包括场效应管s1和s2、电容c1和c2、电感lc以及变压器t1。其中场效应管s1的漏极与电源正极连接，其源极分别与电感lc的一端以及场效应管s2的漏极连接；电感lc的另一端与变压器t1原边连接；场效应管s2的源极与电源负极连接；场效应管s1和s2的栅极均接入控制信号。电容c1的一端与场效应管s1的漏极连接；电容c2的一端与场效应管s2的源极连接；电容c1和电容c2的另一端相连接并与变压器t1的原边连接。变压器t1的副边与超声波换能器连接。
9.可选地，场效应管s1和s2构成半桥式驱动电路的第一桥臂；电容c1和电容c2构成半桥式驱动电路的第二桥臂。
10.可选地，场效应管s1和s2的控制信号为互补方波信号，且场效应管s1和s2在互补
方波信号的控制下交替导通。
11.可选地，方波信号的频率与超声波换能器的谐振频率相同。
12.可选地，所述超声波换能器桥式驱动电路还可以为另一种结构，其包括场效应管s1～s4、电感lc以及变压器t1；场效应管s1的漏极与电源正极连接，其源极分别与电感lc的一端以及场效应管s2的漏极连接；所述电感lc的另一端与变压器t1原边连接；所述场效应管s2的源极与电源负极连接；场效应管s3的漏极与电源正极连接，其源极分别与场效应管s4的漏极以及变压器t1的原边连接；所述场效应管s4的源极与电源负极连接；所述场效应管s1～s4的栅极均接入控制信号；所述变压器t1的副边与超声波换能器连接。
13.方案二、桥式驱动电路的阻抗匹配方法，具体为：获取超声波换能器和半桥式驱动电路的等效电路，在复频域中对等效电路的阻抗进行分析；
14.其中超声波换能器等效电路两端的阻抗为：
[0015][0016]
式中，zu表示超声波换能器等效电路两端的阻抗，y0表示等效电路静态支路导纳，yd表示等效电路动态支路导纳；
[0017]
在变压器等效电路中，变压器副边等效阻抗z
t2
为：
[0018]zt2
＝rs+lss+zu[0019]
将z
t2
等效至变压器原边得到阻抗z
t21
：
[0020][0021]
则变压器原边阻抗z
t1
表示为：
[0022][0023]
式中，rs表示变压器等效电路中副边等效串联电阻，ls表示副边漏感，n表示变压器原副边线圈匝数比，r
p
表示原边等效串联电阻，lm表示励磁电感；s＝j2πf，f表示超声波换能器的驱动频率；
[0024]
在半桥式驱动电路等效电路中，驱动电路的整体阻抗z表示为：
[0025][0026]
式中，c表示电容c1和c2的容值，lc表示电感lc的电感值；通过调整电容c1和c2的容值以及电感lc的电感值使得im[z]＝0，即实现半桥式驱动电路的阻抗匹配。
[0027]
本发明的有益效果在于：本发明的匹配电感位于变压器原边，由于变压器特性可使得匹配电感值大大降低，同时与半桥臂上的电容取值有一定关系，实现阻抗匹配的电容、电感双重调节，从而提高了匹配电路设计的灵活性。
[0028]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和
获得。
附图说明
[0029]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0030]
图1为超声波换能器半桥式驱动电路；
[0031]
图2为超声波换能器等效电路；
[0032]
图3为半桥式驱动电路等效电路；
[0033]
图4为半桥式驱动电路等效简化电路；
[0034]
图5为半桥式驱动电路的两个工作模态；
[0035]
图6为超声波换能器全桥式驱动电路。
具体实施方式
[0036]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0038]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0039]
如图1所示为本发明提出的超声波换能器桥式驱动电路的一实施例，称为半桥式驱动电路，其包括场效应管s1和s2、电容c1和c2、电感lc以及变压器t1。其中场效应管s1的漏极与电源正极连接，其源极分别与电感lc的一端以及场效应管s2的漏极连接；电感lc的另一端与变压器t1原边第一端连接；场效应管s2的源极与电源负极连接；场效应管s1和s2的栅极均接入控制信号。
[0040]
电容c1的一端与场效应管s1的漏极连接，其另一端与变压器原边第二端连接。电容c2的一端与场效应管s2的源极连接，其另一端与变压器原边的第二端连接。变压器t1的副边与超声波换能器连接。
[0041]
驱动电路中，变压器原副边线圈匝数比为1：n。场效应管s1和s2构成半桥式驱动电路的第一桥臂，两者采用互补方波信号控制，方波信号的频率与超声波换能器谐振频率相
同。电容c1和c2构成半桥式驱动电路的第二桥臂。电感lc为阻抗匹配电感。
[0042]
如图6所示为超声波换能器桥式驱动电路的另一实施例，称为全桥式驱动电路，其包括场效应管s1～s4、电感lc以及变压器t1；场效应管s1的漏极与电源正极连接，其源极分别与电感lc的一端以及场效应管s2的漏极连接；所述电感lc的另一端与变压器t1原边连接；所述场效应管s2的源极与电源负极连接；场效应管s3的漏极与电源正极连接，其源极分别与场效应管s4的漏极以及变压器t1的原边连接；所述场效应管s4的源极与电源负极连接；所述场效应管s1～s4的栅极均接入控制信号；所述变压器t1的副边与超声波换能器连接。
[0043]
全桥式驱动电路的驱动策略如下：
[0044]
0)：s2、s4两个mosfet导通，s1、s3两个mosfet关闭，驱动电路处于休眠状态；
[0045]
1)：s1、s4两个mosfet导通，s2、s3两个mosfet关闭，持续时间为t1/2-ε1(ε1＝t1)；该阶段变压器t1原边电流增加；
[0046]
2)：s1～s4四个mosfet均关闭，持续时间为ε1；其中ε1为驱动电路死区时间，防止由于mosfet开关延时引起电源短路，变压器原边电流可通过s2、s3的反向二极管进行续流；
[0047]
3)：s2、s3两个mosfet导通，s1、s4两个mosfet关闭，持续时间为t1/2-ε1(ε1＝t1)；该阶段变压器t1原边电流减小；
[0048]
4)：s1～s4四个mosfet均关闭，持续时间为ε1；变压器原边电流可通过s1、s4的反向二极管进行续流；
[0049]
5)：重复1)～4)的状态，直至驱动电路进入休眠状态。
[0050]
对于驱动电路的阻抗匹配，本发明通过在复频域中分析超声波换能器和驱动电路的等效电路来获得，具体如下：
[0051]
首先对超声波换能器进行分析，超声波换能器通常为容性元件，其等效电路如图2所示，根据图2所示电路，换能器两端的阻抗zu为：
[0052][0053]
式中，y0表示等效电路静态支路导纳，yd表示等效电路动态支路导纳；
[0054][0055]
式中，s＝j2πf，j表示虚数单位，f表示超声波换能器的驱动频率。当式(1)中，yd为纯实数时，动态支路形成谐振，谐振频率即为超声波换能器工作频率。
[0056]
其次对变压器进行分析，变压器采用线性模型进行分析，如图3所示。变压器参数包括：原边漏感l
p
，原边等效串联电阻r
p
，励磁电感lm，副边漏感ls，副边等效串联电阻rs，原副边匝数比为1:n。图中t
ideal
表示理想变压器。
[0057]
变压器副边整体等效阻抗为：
[0058]zt2
＝rs+lss+zuꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0059]zt2
等效至变压器原边阻抗为：
[0060][0061]
变压器原边阻抗z
t1
表示为：
[0062][0063]
根据式(5)可将图3所示电路简化为图4，在图4中，当半桥式驱动电路工作时，场效应管s1和s2交替导通。当s1导通时，电容c1与lc和z
t1
并联，再与电容c2串联；当s2导通时，电容c2与z
t1
和lc并联，再与电容c1串联，如图5所示。为保证工作模态的对称性，令c1＝c2＝c，则驱动电路的两个工作模态的动态分析完全一致。因此对于图4中a、b两点间的驱动电路整体阻抗可表示为：
[0064][0065]
通过调整电容c1和c2的容值以及电感lc的电感值使得im[z]＝0，即实现半桥式驱动电路的阻抗匹配。
[0066]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种超声波换能器桥式驱动电路，其特征在于：该电路包括场效应管s1和s2、电容c1和c2、电感lc以及变压器t1；所述场效应管s1的漏极与电源正极连接，其源极分别与电感lc的一端以及场效应管s2的漏极连接；所述电感lc的另一端与变压器t1原边连接；所述场效应管s2的源极与电源负极连接；场效应管s1和s2的栅极均接入控制信号；所述电容c1的一端与场效应管s1的漏极连接；所述电容c2的一端与场效应管s2的源极连接；电容c1和电容c2的另一端相连接并与变压器t1的原边连接；所述变压器t1的副边与超声波换能器连接。2.根据权利要求1所述的一种超声波换能器桥式驱动电路，其特征在于：所述场效应管s1和s2构成半桥式驱动电路的第一桥臂；所述电容c1和电容c2构成半桥式驱动电路的第二桥臂。3.根据权利要求1所述的一种超声波换能器桥式驱动电路，其特征在于：场效应管s1和s2的控制信号为互补方波信号。4.根据权利要求3所述的一种超声波换能器桥式驱动电路，其特征在于：场效应管s1和s2在互补方波信号的控制下交替导通。5.根据权利要求3所述的一种超声波换能器桥式驱动电路，其特征在于：方波信号的频率与超声波换能器的谐振频率相同。6.根据权利要求1所述的一种超声波换能器桥式驱动电路，其特征在于：另一种结构的超声波换能器桥式驱动电路，包括场效应管s1～s4、电感lc以及变压器t1；场效应管s1的漏极与电源正极连接，其源极分别与电感lc的一端以及场效应管s2的漏极连接；所述电感lc的另一端与变压器t1原边连接；所述场效应管s2的源极与电源负极连接；场效应管s3的漏极与电源正极连接，其源极分别与场效应管s4的漏极以及变压器t1的原边连接；所述场效应管s4的源极与电源负极连接；所述场效应管s1～s4的栅极均接入控制信号；所述变压器t1的副边与超声波换能器连接。7.根据权利要求1～6中任一项所述的超声波换能器桥式驱动电路，其特征在于：桥式驱动电路的阻抗匹配计算方法为：获取超声波换能器和桥式驱动电路的等效电路，在复频域中对等效电路的阻抗进行分析；其中超声波换能器等效电路两端的阻抗为：式中，z
u
表示超声波换能器等效电路两端的阻抗，y0表示等效电路静态支路导纳，y
d
表示等效电路动态支路导纳；在变压器等效电路中，变压器副边等效阻抗z
t2
为：z
t2
＝r
s
+l
s
s+z
u
将z
t2
等效至变压器原边得到阻抗z
t21
：则变压器原边阻抗z
t1
表示为：
式中，r
s
表示变压器等效电路中副边等效串联电阻，l
s
表示副边漏感，n表示变压器原副边线圈匝数比，r
p
表示原边等效串联电阻，l
m
表示励磁电感；在桥式驱动电路等效电路中，驱动电路的整体阻抗z表示为：式中，c表示电容c1和c2的容值，l
c
表示电感lc的电感值；通过调整电容c1和c2的容值以及电感lc的电感值使得im[z]＝0，即实现半桥式驱动电路的阻抗匹配。

技术总结
本发明涉及一种超声波换能器桥式驱动电路及其阻抗匹配方法，属于超声波换能器驱动技术领域。驱动电路可为半桥式，也可为全桥式。其中半桥式驱动电路包括场效应管S1和S2、电容C1和C2、电感Lc以及变压器T1，电感Lc为匹配电感，场效应管S1和S2的栅极均接入控制信号。全桥式驱动电路包括场效应管S1～S4、电感Lc以及变压器T1，场效应管S1～S4均接入控制信号。本发明可通过调整电容容值以及电感的电感值来实现驱动电路的阻抗匹配，提高了匹配电路设计的灵活性。活性。活性。


技术研发人员：但强 马勤勇 蒋洪庆 于庆 槐利 罗前刚 路萍 王祖迅 宋连洪 周德胜 田炎鑫 刘芬 黄橙
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/5