王 潔, 秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所, 浙江 杭州 310018)

0 引言

居里兄弟發(fā)現(xiàn)具有正逆壓電效應(yīng)的壓電陶瓷后,大量的科學(xué)家被其獨(dú)特性能所吸引,從而投入到相關(guān)的研究中[1],壓電陶瓷的應(yīng)用技術(shù)隨之得到飛速發(fā)展,并在微驅(qū)動(dòng)定位領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用?；趬弘娞沾傻木芪⑽灰葡到y(tǒng)的性能優(yōu)劣取決于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器[2-3],因此設(shè)計(jì)出一種具有高頻響、高穩(wěn)定性和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-5]。

國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域雖有一定的研究成果,但仍存在產(chǎn)品種類較少,功能單一,性能較低等缺陷[6]。其原因主要有:

1) 許多驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)主要采用分立元件組成,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不穩(wěn)定,系統(tǒng)維護(hù)難,因而難以推廣使用。

2) 單純的模擬電路系統(tǒng)不具備可調(diào)性,不能適應(yīng)多樣化的應(yīng)用需求,實(shí)際應(yīng)用受限[7]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于高壓集成運(yùn)放芯片的數(shù)字化壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng),經(jīng)過(guò)對(duì)電路原理的嚴(yán)謹(jǐn)分析及對(duì)器件的認(rèn)真選擇,完成電路的設(shè)計(jì)并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了電路的可行性。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由單片機(jī)控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由STM32單片機(jī)作為可調(diào)信號(hào)源[8],通過(guò)電壓采樣電路對(duì)輸出電壓采樣,再通過(guò)單片機(jī)外接的液晶屏實(shí)現(xiàn)信號(hào)參數(shù)的可視化。功率放大電路采用直流放大式電壓控制,以集成功放芯片為核心的放大電路,通過(guò)對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生的小信號(hào)進(jìn)行電壓放大及功率放大,以驅(qū)動(dòng)容性壓電陶瓷負(fù)載。高壓穩(wěn)壓電源電路將220 V交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)壓直流電源,為功率放大電路供電。

圖1 驅(qū)動(dòng)電源總體結(jié)構(gòu)

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)

設(shè)計(jì)中,測(cè)試使用的壓電陶瓷等效電容CL為0.1 μF,輸出頻率f為4 kHz的正弦波,輸出正弦波峰-峰值Umax最高達(dá)140 V。壓電陶瓷等效負(fù)載為

(1)

輸出最大電流為

(2)

根據(jù)最高輸出頻率fmax及最大輸出電壓計(jì)算出最大壓擺率為

SR=2πfmaxUmax=3.52(V/μs)

(3)

綜上分析,驅(qū)動(dòng)電源具體要求為:

1) 輸出電壓峰-峰值(0～280 V)連續(xù)可調(diào)。

2) 信號(hào)頻率為0～4 kHz。

3) 壓擺率>3.52 V/μs。

2 電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 信號(hào)源電路設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)具有速度快,功耗及成本低等優(yōu)點(diǎn),內(nèi)部集成了12位ADC和DAC,可產(chǎn)生高精度的模擬信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)開發(fā)板載有的獨(dú)立按鍵控制輸入信號(hào)的頻率和電壓,外接液晶顯示屏顯示輸入信號(hào)及輸出信號(hào)的具體參數(shù),以便在使用時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控。

信號(hào)采樣電路如圖2所示?；贚M358運(yùn)放組成的反向放大電路,將壓電陶瓷負(fù)載上的高壓輸出采樣信號(hào)控制在3.3 V內(nèi),再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸單片機(jī)處理。

圖2 電壓采樣電路原理

2.2 放大電路的設(shè)計(jì)與分析

2.2.1 器件選擇與電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)對(duì)上述電路參數(shù)的分析,采用OP07和PB58組成負(fù)反饋復(fù)合功率放大器,設(shè)計(jì)的直流放大式驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 復(fù)合放大電路原理

OP07具有75 μV的低輸入偏移電壓,作為前級(jí)電壓放大可顯著提高電路的精度[9],同時(shí)可隔離功率放大器和數(shù)字控制電路,起一定的保護(hù)作用。APEX公司設(shè)計(jì)的PB58型高壓運(yùn)放芯片作為二級(jí)功率放大器,驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載。該器件具有速度快,輸出功率大,靜態(tài)功耗小等優(yōu)點(diǎn),輸出級(jí)利用互補(bǔ)MOSFET提供對(duì)稱的輸出阻抗,并消除雙極晶體管施加的第二擊穿限制,雙端供電時(shí)電壓差可達(dá)300 V,最大連續(xù)輸出電流可達(dá)1.5 A,最高轉(zhuǎn)換速率為100 V /μs。PB58的轉(zhuǎn)換速率遠(yuǎn)大于OP07的轉(zhuǎn)換速率,可有效地防止復(fù)合放大電路出現(xiàn)失真和非線性的情況[10]。

2.2.2 電路特性分析

因?yàn)殚_環(huán)增益較大,故復(fù)合放大器總的放大倍數(shù)可簡(jiǎn)化為1/β=R2/R1,單片機(jī)提供的最大輸入電壓為3.3 V,放大電路的最大輸出電壓達(dá)140 V,因此,放大電路的理論放大倍數(shù)為42.42。為了防止增益過(guò)大而破壞電路的穩(wěn)定性,應(yīng)合理分配前后級(jí)放大器的放大倍數(shù)。設(shè)PB58的放大倍數(shù)為30,即1+R4/R3=30,則取電阻R1=2 kΩ,R2=85 kΩ,R3=3 kΩ,R4=87 kΩ。

PB58提供多個(gè)外接端口,以滿足靈活的應(yīng)用需求,補(bǔ)償電容CC=22 pF,以增加電路的穩(wěn)定性并擴(kuò)展帶寬。限流電阻RCL=0.66 Ω,可將輸出電流限制在1 A內(nèi)。增益電阻RG為放大器本身的增益, 根據(jù)芯片手冊(cè),設(shè)RG=290 kΩ。

容性負(fù)載和集成運(yùn)放的輸出電阻串聯(lián)產(chǎn)生極點(diǎn),影響放大電路的穩(wěn)定性[11]。放大器PB58的輸出電阻Ro=35 Ω,壓電陶瓷等效電容CL=0.1 μF,產(chǎn)生的極點(diǎn)頻率為

(4)

如圖4所示,通過(guò)AOL(開環(huán)增益)曲線減去 1/β(環(huán)路反饋)曲線得到AOLβ(環(huán)路增益)的值,fc為AOLβ=0 時(shí)的頻點(diǎn),同時(shí)也是環(huán)路的閉合點(diǎn),通過(guò)分析AOL與 1/β在fc的閉合速率可判斷電路的穩(wěn)定性。新增極點(diǎn)fp2將會(huì)更改復(fù)合放大器的AOL曲線,使1/β曲線和AOL曲線的閉合速率從-20 dB/十倍頻變?yōu)?40 dB/十倍頻,輸出信號(hào)產(chǎn)生更多相移,系統(tǒng)易發(fā)生振蕩。為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相位補(bǔ)償。

圖4 AOL開環(huán)增益圖

使用單一的補(bǔ)償方法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易實(shí)現(xiàn),但會(huì)犧牲電路其他性能。而使用多種補(bǔ)償技術(shù)可使彼此相互消除或減輕對(duì)電路帶來(lái)的負(fù)面影響。本文采用了反饋零點(diǎn)補(bǔ)償法噪聲增益補(bǔ)償法共同提高穩(wěn)定性,反饋零點(diǎn)補(bǔ)償可彌補(bǔ)噪聲增益補(bǔ)償減少的帶寬,而噪聲增益補(bǔ)償可減輕補(bǔ)償電容Cf容差對(duì)電路的影響,提高了放大電路的準(zhǔn)確度。電路補(bǔ)償結(jié)果如圖5所示。

圖5 電路補(bǔ)償幅度圖

由Rn、Cn組成的噪聲增益補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為1/β曲線增加了零點(diǎn)和極點(diǎn),分別為

(5)

(6)

由R2、Cf組成的反饋零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為1/β曲線增加了反饋零點(diǎn),即:

(7)

在頻率較高時(shí),Cn趨近于短路,Rn?R1,1/β的值由R2/R1增加為R2/Rn,形成與AOL提前交匯的趨勢(shì),交點(diǎn)的閉合速率變?yōu)?20 dB/十倍頻,增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。而由反饋零點(diǎn)補(bǔ)償產(chǎn)生的極點(diǎn)fp3使1/β在和AOL相交前以-20 dB/十倍頻的速率下降,直至與AOL速率為-40 dB/十倍頻的部分相交于fc,在交點(diǎn)fc同樣具有-20 dB/十倍頻的閉合速率,維持了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

綜上所述,在設(shè)計(jì)放大電路時(shí),主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題,提出采用兩種補(bǔ)償法相結(jié)合的方式極大地提高了電路的穩(wěn)定性。

2.3 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

采用的高壓穩(wěn)壓電路為運(yùn)放芯片PB58提供功率輸入,如圖6所示。通過(guò)匝數(shù)比為6∶1的變壓器把220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?0路36.7 V的交流電,每路再經(jīng)全橋整流濾波及三端穩(wěn)壓器LM317后輸出30 V的直流電。三端穩(wěn)壓器LM317的輸出電壓為

圖6 直流穩(wěn)壓電源原理

(8)

經(jīng)計(jì)算,取Rm=5.5 kΩ,Rn=240 Ω。將10路30 V電源串聯(lián),以中心點(diǎn)為地,可在兩端分別得到±150 V的直流電壓。電容CAdj可濾除Rm兩端的紋波,輸入電容C1、C2及輸出電容C3、C4既起濾波作用,又可起防振作用,防止電路受到高頻脈沖的干擾產(chǎn)生振蕩。

該直流穩(wěn)壓電源不僅輸出穩(wěn)定,還通過(guò)多路電壓串聯(lián)的方式減少了直流電壓中的紋波。通過(guò)調(diào)整Rm可用兩路同樣的電路輸出±15 V的直流電源,為OP07供電。

3 測(cè)試結(jié)果分析

電路系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)完成后,對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試,以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

3.1 輸出響應(yīng)測(cè)試

由單片機(jī)輸出頻率4 kHz、峰值0～3.3 V的可調(diào)正弦波時(shí),放大電路輸出為峰值0～140 V的正弦波。通過(guò)示波器同時(shí)觀察輸入、輸出信號(hào),結(jié)果如圖7所示。由圖可看出,輸入信號(hào)經(jīng)反向放大后輸出具有180°相移的輸出信號(hào),跟隨效果良好,輸出波形平滑不失真。

圖7 波形輸出

3.2 階躍響應(yīng)測(cè)試

階躍響應(yīng)測(cè)試可反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度,輸入0～3.3 V階躍信號(hào),通過(guò)示波器觀察輸出信號(hào),結(jié)果如圖8所示。由圖可知,輸出響應(yīng)時(shí)間為45 μs,電壓在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)輸出后一直保持穩(wěn)定,無(wú)過(guò)沖和震蕩。

圖8 階躍響應(yīng)

3.3 系統(tǒng)線性測(cè)試

線性度描述系統(tǒng)輸出與輸入之間是否符合線性關(guān)系。線性度越高,系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性越高,較低的線性度意味著系統(tǒng)存在較大的誤差。

在輸入端接入-3.3～3.3 V的直流電壓,掃描增量為0.005 V,得到輸入、輸出間的線性度曲線如圖9所示。由圖可看出,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在額定區(qū)間內(nèi)具有優(yōu)良的線性度。

圖9 系統(tǒng)線性度測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源原理,并設(shè)計(jì)了一款以PB58為核心器件的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng),通過(guò)STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)輸入的可調(diào)及輸出的可視化,可輸出頻率為4 kHz的140 V交流電壓。經(jīng)過(guò)多項(xiàng)性能測(cè)試證明,該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),集成度高等優(yōu)點(diǎn),具備一定的實(shí)用價(jià)值。