[发明专利]一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器

说明书

本发明涉及用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器，以Zynq Z‑7010SoC为主控制器，ARM/PS接收上位机发送的喷头驱动电压波形数据，而后将驱动电压波形数据传送到FPGA/PL中的数字脉宽调节器作为参考输入，与相应的ADC采集的VCOM反馈信号的差作为误差信号，输入到内部的滑模控制器，得到新的高精度PWM占空比；采用混合Σ‑Δ调制器产生调制信号，通过驱动功率管放大该调制信号，利用平滑滤波器使放大后的调制信号平滑，作为喷头驱动信号VCOM。由于本发明采用Zynq Z‑7010SoC实现全数字功率放大器，简化了硬件电路设计，提高了系统的带宽和稳定性；采用混合Σ‑Δ调制器，在11位的PWM下开关频率最高可以达6MHz，提高了输出的PWM的精度，使驱动信号VCOM的纹波小，精度高，保证了喷墨打印的质量。

技术领域

本发明涉及喷墨打印机设备技术领域，具体涉及一种用于驱动喷墨打印机喷头的全数字功率放大器。

背景技术

当对压电晶体施加物理压力时，材料内部正负电荷产生相对位移而被极化，导致晶体表面出现极性相反的束缚电荷，形成电场，这种由物理外力的作用而使晶体表面出现与外力成比例的电场的现象，叫做正压电效应；反之，当压电晶体置于外电场中，其内部正负电荷相对移位，又可导致压电晶体发生机械变形，形变的大小正比于所加的电场强度，这种由电场作用而产生的压电晶体表面形变现象，称为逆压电效应。

正是压电陶瓷具有的正逆压电效应，使得压电陶瓷驱动技术在压电喷墨打印机中得到广泛的应用。压电喷墨打印机的核心部件是打印头，它是由成百上千个直径极其微小的墨水通道组成，这些通道的数量，也就是喷墨打印机的喷孔数量，直接决定了喷墨打印机的打印精度。每个通道内部都附着压电陶瓷或者MEMS，当打印头的控制电路接收到驱动信号后，压电陶瓷随之产生伸缩使喷嘴中的墨汁喷出，在输出介质表面形成图案。

压电式喷头喷墨过程可分为以下四个阶段，如图2所示：

1、关闭状态：非打印状态，不施加驱动电压，压电陶瓷处于平衡状态，如图1A所示；

2、平衡状态：施加高电压，隔膜处于膨胀状态，如图1B所示；

3、充电状态：对压电陶瓷施加脉冲电压时，压电陶瓷向外延伸，使腔内墨水液面向内收缩，如图1C所示；

4、放电状态：去掉脉冲电压时，压电陶瓷又向内收缩，同时会将一滴微量的墨水通过喷嘴喷射出去，完成一次喷墨，然后恢复到平衡状态，等待喷射下一滴墨水，如图1D所示。

为了实现压电式喷头喷墨四个过程，需要在压电陶瓷上施加相应的驱动信号，该驱动信号的电压幅值为0～36V或者0～-36V，压摆率SR为30～40V/us，精度±0.5V。产生压电式喷头驱动信号的功率放大电路按拓扑的结构不同分为模拟线性功率放大电路和PWM式数字功率放大电路。

模拟线性功率放大电路主要通过模拟运放器件实现电压和电流放大输出，这类放大电路主要工作在AB类，在输出功率情况下，损耗在内部电路中，造成严重浪费，因此效率比较低，一般只能达到50％左右；同时大功率输出时，需要散热器，因此体积较大，不容易小型化。

模拟线性功率放大电路的这些缺点，使得PWM式数字功率放大电路逐渐开始应用于压电陶瓷的驱动电路。PWM式数字功率放大电路不同于模拟线性功率放大电路，它采用切换电压方式的同时用数字信号控制导通时间来放大信号，其输出级的工作状态不是完全导通就是完全截止，因此输出器件的功耗非常小，使它的效率远比模拟线性功率放大电路类要高，同时PWM式数字功率放大电路的效率和输入信号的大小无关。通常在电源电压为额定值时，PWM式数字功率放大电路的效率达80％以上，其平均效率大约要比模拟线性功率放大电路高2-3倍，同时在输出功率一样的情况下，PWM式数字功率放大电路的表面温度会远远低于模拟线性功率放大电，因此使用时不需或者只需要一个很小的散热器，大大减小了PWM式数字功率放大电路的体积。

在下述专利文献中，采用PWM式数字功率放大电路实现喷墨打印机压电陶瓷的驱动。