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        一種大容性負載的壓電陶瓷驅(qū)動電源設(shè)計

        2019-10-22 09:27:18張文濤熊顯名
        壓電與聲光 2019年5期

        錢 存,張文濤,杜 浩,熊顯名

        (桂林電子科技大學(xué) 廣西光電信息處理重點實驗室, 廣西 桂林 541004)

        0 引言

        隨著光刻技術(shù)的迅速發(fā)展,所需定位精度經(jīng)微米級到亞納米級,再由亞納米級至低于納米級的定位精度,納米級以下的定位已成為高精度定位的難點之一[1]。壓電陶瓷作為微定位系統(tǒng)的促動裝置,具有分辨率高,剛度大,能耗低,溫度響應(yīng)小及無機械摩擦等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于精密定位系統(tǒng)中。然而對于大容性的壓電陶瓷促動器,其對電源性能的要求較高。常用的電源因為元件數(shù)多,電路易發(fā)生振蕩,影響壓電陶瓷的線性位移控制,因此,大容性負載的壓電陶瓷驅(qū)動電源的設(shè)計對光刻技術(shù)的發(fā)展有重要的價值。

        1 驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)與指標(biāo)

        1.1 驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)

        圖1為壓電陶瓷驅(qū)動電源[2]結(jié)構(gòu)。模擬信號生成電路:將微處理器(MCU)輸出的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為模擬信號后濾波;功率電源電路為各元件提供穩(wěn)定的電壓電流;濾波后0~5 V模擬信號經(jīng)線性穩(wěn)壓放大電路放大為0~100 V穩(wěn)定可控的電壓信號,以驅(qū)動壓電陶瓷。

        圖1 驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)框圖

        1.2 驅(qū)動電源指標(biāo)

        在微位移系統(tǒng)中,微位移的定位頻率為1 kHz,采用的壓電陶瓷促動器型號為Pst150/3.5*3.5/7。等效靜態(tài)電容為0.35 μF,在最大驅(qū)動電壓100 V時行程為7 μm,為使定位精度達0.3 nm,驅(qū)動電壓輸出分辨率應(yīng)不大于4 mV。壓電陶瓷促動器為容性負載,要求電源具有良好的瞬時電流驅(qū)動能力[3]。壓電陶瓷等效電阻為

        (1)

        式中:f為微位移的定位頻率;CL為壓電陶瓷促動器的等效靜態(tài)電容。此時,驅(qū)動電源所需峰值電流為

        (2)

        式中Umax為驅(qū)動電源的輸出電壓最大值。

        為使驅(qū)動電源具有良好的動態(tài)效應(yīng),其壓擺率應(yīng)大于電路所需值[4]。壓擺率ASR可由輸出電壓最大值和電壓最大頻率fmax得到,即

        ASR=2πfmaxUmax=6.25(V/μs)

        (3)

        以上分析可得驅(qū)動電源的基本指標(biāo):

        1) 實時電壓調(diào)節(jié)能力(0~100 V)。

        2) 輸出電壓頻率0~1 kHz。

        3) 輸出電壓分辨率≤4 mV。

        4) 輸出電流≥220 mA。

        5) 壓擺率ASR≥6.25 V/μs。

        2 容性負載及穩(wěn)定性分析

        2.1 容性負載對穩(wěn)定性的影響

        高精度定位系統(tǒng)中,驅(qū)動電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性與動態(tài)性[5]。在運算放大器中,由開環(huán)曲線判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性能,如圖2所示。當(dāng)壓電陶瓷作為負載時會在開環(huán)增益曲線上增加一極點fz,使曲線在極點處以二十倍頻下降,將會對電路的穩(wěn)定性造成影響[6]。

        圖2 容性負載極點

        壓電陶瓷促動器作為動能器件,具有較大的電容性[7],而大電容會使極點頻率變小,使二十倍頻曲線更早出現(xiàn),對電路危害極大。由壓電陶瓷的靜態(tài)電容CL和電源頻率可得極點的頻率為

        (4)

        極點在fz處開環(huán)曲線以二十倍頻速率下降,其穿過20 dB的頻率小于1 MHz,系統(tǒng)將會發(fā)生震蕩,需要對系統(tǒng)進行相位補償。

        2.2 超前反饋補償

        為解決容性負載對電路的影響,采用電容超前反饋對負載引起的極點進行補償,其補償方式如圖3所示。圖中,Rf為隔離電阻,Cf為反饋電容,CL為壓電陶瓷等效電容,且CL=0.35 μF,R0為放大器的輸出電阻,且R0=7 Ω。

        圖3 電容超前反饋

        超前反饋與負載共同作用將產(chǎn)生1個零點fz1和1對極點fp1、fp2,分別為

        (5)

        (6)

        (7)

        令fz=fp1,零點和低頻極點抵消,可消除極點對電路的影響,此時:

        RfCf=(R1//R2)CL

        (8)

        取Cf=220 μF,Rf=10 Ω,R1=10 kΩ,R2=90 kΩ,得到電源系統(tǒng)的新極點為

        (9)

        當(dāng)fp大于系統(tǒng)的帶寬增益時,即極點引起的開環(huán)曲率下降位置晚于系統(tǒng)帶寬需求,此時系統(tǒng)開環(huán)曲線在20 dB以上,系統(tǒng)穩(wěn)定。

        2.3 運放的相位補償

        線性放大電路采用負反饋系統(tǒng),由于負反饋放大電路易發(fā)生相移造成振蕩,應(yīng)對線路進行相位補償[8]。查PA92手冊可知,放大電路采用外接電容方式進行相位補償。當(dāng)閉環(huán)增益不小于12 dB時,采用10 pF的電容補償,系統(tǒng)增益將有2 MHz的帶寬,相位裕度約為60°,滿足電源設(shè)計需求。

        3 放大電路設(shè)計

        3.1 線性放大電路的選擇

        線性放大需穩(wěn)定電壓和大電流輸出,選用PA92為運放單元。PA92是APEX公司生產(chǎn)的一款輸出電壓可達390 V,輸出電流達4 A的高精度運算放大器[9]。其大功率輸出能力適用于大容性負載的驅(qū)動任務(wù),且PA92是運算放大和功率放大相結(jié)合的產(chǎn)品,減小了體積,同時可安裝散熱裝置,使運放能長期穩(wěn)定工作。PA92運放的失調(diào)電壓為10 mV。實際需求失調(diào)電壓為

        (10)

        式中:Re為驅(qū)動電源分辨率;A為運放放大增益。

        PA92的失調(diào)電壓10 mV大于實際需求的最小失調(diào)電壓0.2 mV,單獨作用放大不能滿足精度需求,選用雙極放大結(jié)構(gòu)減小系統(tǒng)的輸入失調(diào)電壓[10],其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 雙極放大電路

        線性放大電路采用復(fù)合雙極放大負反饋電路。復(fù)合反饋雙極電路的失調(diào)電壓主要由前級運放的輸入失調(diào)電壓決定[7],為降低線性放大電路的失調(diào)電壓選用高精度放大器OP07A作為驅(qū)動電路的前級放大。OP07A最大失調(diào)電壓為25 μV,遠小于所需的0.2 mV,滿足精度需求。

        3.2 線性放大電路

        圖5為驅(qū)動電壓的線性放大電路。圖中,R1、R2、R3、R4為比例電阻,Rf、Cf分別為補償電阻電容,Cc為相位補償電容,C9為環(huán)路增益修復(fù)電容。在0~5 V模擬信號輸入下,OP07A將電壓放大1倍至0~10 V,后經(jīng)PA92放大10倍至0~100 V驅(qū)動壓電陶瓷,線性放大電路的總放大增益為20。根據(jù)輸出電壓峰值由功率電源電壓決定[7],OP07A采用±15 V穩(wěn)壓電源得到輸出電壓峰值10 V,PA92采用+120 V、-15 V穩(wěn)壓電源,得到0~100 V的輸出電壓。RCL使用1 W高精密電阻,且

        (11)

        式中IL為功放限流值。采用3Ω功率電阻將電流限制在220 mA,滿足大電流輸出能力。

        圖5 線性放大電路

        4 電源驅(qū)動能力測試

        設(shè)計驅(qū)動電源后,按照電源性能需求對性能進行測試,以確定電源的線性度和靈敏性。因精密定位控制需要電源具有良好的階躍性能和動態(tài)穩(wěn)定性,對驅(qū)動電源的測試包括階躍響應(yīng)測試、動態(tài)響應(yīng)和線性誤差測試。

        4.1 階躍響應(yīng)測試

        驅(qū)動電源在高功率的輸出中,需要有良好的輸入、輸出線性比,因此需要對輸出電壓做階躍響應(yīng)測試。在頻率1 kHz使用驅(qū)動電源時,其階躍響應(yīng)應(yīng)小于1 ms。測試輸入信號在0時刻輸入1 V的階躍信號,測得響應(yīng)電壓曲線如圖6所示。由圖可知,響應(yīng)電壓放大20倍,信號平穩(wěn)上升,達到20 V時曲線無超調(diào)。電源階躍響應(yīng)速度快,在100 μs內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài),滿足驅(qū)動設(shè)計要求。

        圖6 驅(qū)動電源階躍響應(yīng)

        4.2 動態(tài)響應(yīng)

        驅(qū)動電源動態(tài)響應(yīng)性能影響其在高頻率使用下的電壓性能。在補償電容Cf定值下,需要對總環(huán)路電容C9進行調(diào)節(jié)。C9使用合適的電容可使驅(qū)動電源系統(tǒng)具有良好的動態(tài)跟隨效果。

        C9=150 pF時,設(shè)定微處理器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為1 kHz正弦信號后,其電壓峰值為0.5 V,直流偏置為0.5 V。測得電源的輸出波形如圖7所示。由圖可知,輸出電壓在0~20 V為平穩(wěn)正弦信號,無相移,動態(tài)跟隨效果良好,波形平滑。

        圖7 驅(qū)動電源的動態(tài)響應(yīng)

        4.3 電壓輸出精度

        為測試驅(qū)動電源的電壓輸出精度,將0~5 V輸入信號設(shè)置為1 000頻點/s上升,得到輸入電壓與驅(qū)動電源的輸出信號如圖8所示。由圖可知,系統(tǒng)輸出電壓的線性度良好,無波動。

        圖8 驅(qū)動電源輸入輸出關(guān)系

        為測量輸出電壓信號的線性誤差大小,對以上結(jié)果隨機抽取8組輸入電壓進行測試,對其輸出電壓采用高精度電壓表測量,每組結(jié)果分10次進行測量,取測量結(jié)果平均值,得到數(shù)據(jù)如表1所示。由表可知,在0~100 V輸出過程中線性度穩(wěn)定,且輸出電壓誤差均小于0.5 mV。

        表1 輸出誤差測試

        5 結(jié)束語

        本文對大容性負載電路進行穩(wěn)定性分析,對負載補償方式和影響動能因素進行分析,并對電源系統(tǒng)的高精度輸出能力進行分析。提出了采用電容超前反饋與相位補償相結(jié)合的方式,采用雙極線性放大方法。經(jīng)過實驗驗證表明,電源系統(tǒng)具有良好的大電流驅(qū)動能力,在輸出精度與動態(tài)響應(yīng)上有良好的效果。驅(qū)動電源精度穩(wěn)定,動態(tài)響應(yīng)快,輸出電流大,滿足驅(qū)動壓電促動器在微位移系統(tǒng)中的應(yīng)用。

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