壓電驅動器所采用的輸出級架構，會直接影響整個壓電定位系統的整體性能。因此在設計壓電放大器時，必須根據實際應用場景合理選擇輸出拓撲。

本文聚焦AB 類輸出級與D 類輸出級兩大主流架構，幫助硬件設計者做選型決策。本篇重點講解 D 類輸出級的電源供電要求，并從多維度對比兩類架構的優劣、適配不同應用場景。

電路拓撲回顧

下面附上兩類壓電驅動器的電路原理圖，方便對照理解。

圖 1：AB 類壓電驅動器輸出級原理圖，為推挽 AB 類架構，用于帶容性壓電負載的電壓反饋放大器。

圖 2：D 類半橋輸出級拓撲原理圖，為開關型半橋架構，適配容性壓電負載電壓反饋放大器。

本文先說明D 類輸出級供電要求，再對比兩類架構優缺點。

D 類輸出級的電源供電要求

D 類輸出級得以廣泛應用，核心優勢是功率效率高。但也正因高效率特性，在帶感性、容性等無功負載時會產生特殊設計難點：這類系統需要配置一路或多路電源，且電源必須同時具備輸出功率和吸收回饋功率的能力。

這一核心設計要點常被忽略，可通過工作過程舉例說明：當負載電流與電感電流為正向狀態、高端電路導通時，正電源電流為正向，此時正電源向外輸送功率。

當輸出級切換為低端電路導通，電感電流數值基本保持不變、流向依舊為正向，但電流轉而流經負電源，負電源電流變為負值。此時電流從負電源正極流向負極，負電源不再向外供電，而是轉為吸收多余回饋功率。

可采用單正電源全橋架構進行優化：在一個 PWM 周期內，功率輸出與功率回饋由同一電源端口完成，配合去耦電容平滑能量波動。純電阻負載僅存在有功功耗，無需雙向電源即可正常工作。

但壓電屬于容性負載，無法依靠簡單全橋方案徹底解決能量回饋問題。當負載電壓為正、負載電流為負，或負載電壓為負、負載電流為正時，能量會從容性負載反向回流至電源端，產生負向電源電流。

在滿功率帶寬下對容性負載做周期性充放電時，這種能量回饋現象會占據一半工作周期。其根源來自理想壓電容性負載的阻抗特性：

負載阻抗公式：Z_l = 1 / (j2πfC_l)

該阻抗僅有虛部、無實部，屬于純無功負載。

理想壓電負載的電壓與電流呈 90° 正交關系，僅產生無功功率，幾乎無有功功率損耗。

無功功率公式：Q = 1/2 × Imag (V_load×I_load)

若要回收負載回饋的能量，放大器供電電源必須支持雙向電流流動。全橋架構可以省去負電源，但即便如此，剩余的正電源依舊必須具備雙向吞吐電流的能力。

因此選用 D 類輸出級有硬性設計要求：同一路電源必須既能輸出電流，也能吸收電流。工程上可采用再生電源、本地儲能架構、電池供電等方案實現。圖3概述了電源工作模式及其象限約定。

圖 3：電源四象限工作模式示意圖，Q2、Q4 象限為功率吸收工況，普通電源不具備該能力。

簡單總結：D 類半橋架構需要兩路電源，才能覆蓋四象限全部工作模式；D 類全橋架構只需一路正電源，但該電源必須同時支持功率輸出與功率吸收。

輸出級選型：多維度優劣對比

下面從大行程動態工況、高頻紋波、電源設計、電磁干擾 EMI四個維度，對比 AB 類與 D 類輸出級。

全行程大信號動態工況

AB 類功放驅動壓電容性負載時，無功功率會直接在輸出晶體管上以熱量形式耗散。

最大功耗公式：P_max = C_l × V_pp2 × f_fpbw

負載容值越大、動態行程越快、電壓擺幅越高，發熱越嚴重，需要超大散熱片，可靠性低，不適合大行程大功率壓電應用。

D 類架構依靠負載與電源之間周期性能量交換，自身損耗極低，連續大行程工作也不會嚴重發熱，可實現小型化設計，大動態工況下 D 類明顯占優。

高頻紋波特性

D 類功放存在 PWM 開關頻率殘留紋波，紋波幅值受 LC 輸出濾波、供電電壓、PWM 頻率影響，不適合對微振動、高頻擾動敏感的精密場景。

AB 類無高頻開關動作，不存在 PWM 紋波，非常適合不能容忍高頻干擾的精密控制應用。注：小信號帶寬、低噪聲性能取決于整體放大器設計，兩類輸出級本身都可做到低噪聲、高帶寬。精密低紋波場景 AB 類更合適。

電源設計難度

AB 類可直接搭配普通單向供電電源，只需輸出功率、無需吸收回饋能量，設計簡單。D 類必須配置雙向吞吐電源，半橋還需多路供電，電源設計復雜度更高。電源簡易性上 AB 類占優。

EMI 電磁干擾

D 類存在 PWM 開關頻率及其諧波，必須額外增加 EMI 抑制措施。AB 類無高頻開關切換，天然 EMI 表現更好。EMI 控制上 AB 類更有優勢。

適用應用場景

AB 類輸出級適合短行程、高精度機電控制場景；適配需要高小信號帶寬、抑制機械微抖動的動態系統，可實現 kHz 級小信號帶寬；也適用于壓電夾緊、夾持類應用，無高頻紋波可避免動態摩擦系數波動。

D 類輸出級優先用于大行程、長位移的機械運動場景；適配大容性、大峰值電壓與大峰值電流的重型壓電負載；即便供電充足，AB 類嚴重發熱的工況，都適合改用 D 類架構。

實際選型需結合應用側重點與整套壓電驅動系統架構綜合考量。