《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高精度數(shù)字跟蹤式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第2期
滕旭東1,2,章 東2,梁曉鋒3
1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,上海201600; 2.南京大學(xué) 物理學(xué)院聲學(xué)所,江蘇 南京210093; 3.西安睿創(chuàng)電子科技有限公司,陜西 西安710075
摘要: 設(shè)計(jì)了一種數(shù)字跟蹤式復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。采用數(shù)字式自適應(yīng)信號(hào)源,驅(qū)動(dòng)高精度運(yùn)放OP07和高壓大電流運(yùn)放PA04組成復(fù)合式放大器,通過(guò)合理的相位補(bǔ)償、保護(hù)電路設(shè)計(jì)和散熱計(jì)算,實(shí)現(xiàn)高精度低漂移的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)。
中圖分類號(hào): T721
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2013)02-0063-04
Design of a digital high accuracy power supply for piezoelectric ceramics
Teng Xudong1,2,Zhang Dong2,Liang Xiaofeng3
1.College of Electronic and Electrical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201600,China; 2.Institute of Acoustics,School of Physics,Nanjing University,Nanjing 210093,China; 3.Xi′an Rironic Electronic Technology Co.Ltd,Xi′an 710075,China
Abstract: A PZT power supply with high accuracy and low drift is developed, which include digital tracking signal generator, composite amplifier and phase compensation circuits, etc. This composite amplifier uses a low voltage amplifier OP07 to control accuracy and drift, and the PA04 acts as voltage and current booster which are selected to diver piezotransducers. Furthermore,the stability of the composite amplifier are analyzed in detail, and optimum heatsinking are considered to improve the thermal resistance rating of heatsinks. The simulating results show this design is reasonable and effective.
Key words : digital tracking;composite amplifier;piezoelectric ceramics;PA04

    近年來(lái),新型高壓大電流集成放大器廣泛使用于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)中,然而壓電元件表現(xiàn)出的電容性和功率運(yùn)放較高的輸入失調(diào)電壓(幾十毫伏),使得壓電陶瓷電源控制存在精度不高、穩(wěn)定性較差以及非線性失真等缺點(diǎn)。而且模擬信號(hào)發(fā)生器的頻率分辨率低且跟蹤遲滯[1],也降低了壓電陶瓷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。因此設(shè)計(jì)一種高精度、穩(wěn)定性好的數(shù)控壓電陶瓷電源是實(shí)現(xiàn)微位移控制、非線性檢測(cè)以及微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵[2]。

1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源
    壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源由自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、D/A轉(zhuǎn)換、復(fù)合放大器、高壓直流電源、相位補(bǔ)償和保護(hù)電路等組成,如圖1所示。其中復(fù)合式放大器優(yōu)化了前級(jí)輸入結(jié)構(gòu),采用高精度低漂移的低壓運(yùn)放與高壓集成功率運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián),在高電壓大電流驅(qū)動(dòng)壓電負(fù)載的同時(shí),實(shí)現(xiàn)較高的線性控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1.1 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器
    壓電陶瓷元件工作頻率受溫度、負(fù)載和接觸面的影響較大,因此信號(hào)發(fā)生器應(yīng)具備頻率跟蹤功能,以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)工作頻率。圖2所示為一種數(shù)字式自適應(yīng)信號(hào)發(fā)生器的原理框圖[1]。其工作過(guò)程為:從取樣電阻Rs處得到與輸出電流成正比的電壓信號(hào)Smp,該采樣信號(hào)與循環(huán)計(jì)數(shù)器經(jīng)D/A產(chǎn)生的鋸齒波比較,得到一個(gè)脈沖信號(hào),脈沖后沿將此循環(huán)計(jì)數(shù)值存放至鎖存器組,該值即為此時(shí)刻模擬采樣信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。循環(huán)計(jì)數(shù)器每隔128個(gè)周波,更新一次數(shù)字量,相鄰時(shí)刻的兩個(gè)數(shù)字量送入極值比較器,則可判斷電流變大(1)或減少(0),比較結(jié)果(1或0)通過(guò)D觸發(fā)器來(lái)調(diào)整頻率控制計(jì)數(shù)器方向,確定頻率控制字的增減,自適應(yīng)地實(shí)時(shí)調(diào)整頻率。調(diào)整后的頻率控制字查找波形數(shù)據(jù)表,輸出12位數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生正弦波、方波和其他波形信號(hào)。該信號(hào)發(fā)生器由全數(shù)字硬件電路實(shí)現(xiàn),分辨率高,工作頻率穩(wěn)定且無(wú)溫度漂移現(xiàn)象。

1.2 復(fù)合放大器
    PA04是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的一種高電壓MOSFET功率運(yùn)算放大器,工作電壓高達(dá)200 V,峰值輸出電流為20 A,轉(zhuǎn)換率為50 V/μs,最大輸入失調(diào)電壓可達(dá)10 mV,因輸入特性不能滿足分辨率為10 mV以下的高精度壓電驅(qū)動(dòng)電源的要求,所以需配合其他器件使用。OP07是一種低噪聲、高精度的單片運(yùn)算放大器,轉(zhuǎn)換率為0.17 V/μs,輸入級(jí)可提供75 μV的高精度輸入失調(diào)電壓和漂移,能高增益地放大微弱信號(hào),而不需要偏置和調(diào)零,這種特性使得OP07適合作前級(jí)放大器來(lái)控制精度和漂移。故本設(shè)計(jì)的復(fù)合放大器由高壓放大器PA04和低漂移高精度OP07運(yùn)放級(jí)聯(lián)組成[2-3],形成一個(gè)具有反饋的復(fù)合式放大器,其中OP07是主放大器,而PA04用作升壓放大器,實(shí)現(xiàn)高精度和低漂移的高電壓電源的驅(qū)動(dòng),如圖3所示。

    兩個(gè)串聯(lián)的高壓開(kāi)關(guān)DC電源為PA04提供±100 V直流電壓,OP07電源采用±15 V供電。為提高噪聲抑制能力,在復(fù)合放大器電源兩端分別并聯(lián)0.1 μF電容去耦。復(fù)合結(jié)構(gòu)放大器開(kāi)環(huán)增益AOL等于OP07開(kāi)環(huán)增益和PA04的閉環(huán)放大倍數(shù)之和,復(fù)合放大器小信號(hào)交流增益1/β由高精密電阻反饋電阻RFC和輸入電阻RIC之比確定。
 
1.3 相位補(bǔ)償設(shè)計(jì)
    如圖4所示,復(fù)合放大器的開(kāi)環(huán)增益與小信號(hào)交流增益1/β在閉合頻率fcl處交匯,該處環(huán)路增益Aβ為0 dB。當(dāng)復(fù)合放大器驅(qū)動(dòng)容性壓電負(fù)載時(shí)[3],放大器的輸出阻抗Z0和容性負(fù)載CL會(huì)在開(kāi)環(huán)增益AOL的高頻段增加一個(gè)極點(diǎn)fp2=1/Z0CL,修正開(kāi)環(huán)增益曲線為AOL/C,圖4中在fcl(標(biāo)注為  )處閉合斜率差變?yōu)?0 dB/dec,大于20 dB/dec,相移接近180°,處于臨界穩(wěn)定狀態(tài),很可能產(chǎn)生振蕩而損壞放大器,故對(duì)復(fù)合放大器進(jìn)行相位補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

 

 

1.3.1 零點(diǎn)補(bǔ)償
    復(fù)合放大器的零點(diǎn)補(bǔ)償包括升壓放大器PA04和復(fù)合結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償。為確保容性負(fù)載時(shí)PA04升壓放大器工作穩(wěn)定,對(duì)PA04的反饋電阻RF和并聯(lián)電容CF進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償[3-4]。本設(shè)計(jì)取CF為2 pF,放大器相位裕度大于45°;復(fù)合結(jié)構(gòu)反饋電阻RFC并聯(lián)反饋電容CFC,形成零點(diǎn)補(bǔ)償電路。該補(bǔ)償結(jié)構(gòu)使1/β曲線在fp5=1/2?仔RFCCFC處以20 dB/dec速度下插,與AOL/C曲線相交得到40 dB/dec,但仍然大于20 dB/dec,故復(fù)合放大器不穩(wěn)定,需要噪聲增益補(bǔ)償。

    放大器OP07輸入端用兩對(duì)IN4148二極管反接提供差模和共模保護(hù),防止來(lái)自 CFC 的瞬態(tài)過(guò)壓。OP07 輸出端使用快速恢復(fù)二極管MUR160對(duì)瞬態(tài)過(guò)壓進(jìn)行保護(hù),阻止來(lái)自CF的瞬態(tài)過(guò)壓通過(guò)PA04將OP07損壞;高壓放大器PA04輸出端可增加一對(duì)快恢復(fù)二極管UF4004,反向恢復(fù)時(shí)間應(yīng)小于100 ns,防止壓電負(fù)載由于機(jī)械壓力產(chǎn)生的電壓對(duì)放大器的沖擊,將尖峰電壓送回電源。
1.5 散熱性設(shè)計(jì)
    壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的散熱設(shè)計(jì)主要考慮復(fù)合放大器的功耗,因壓電負(fù)載呈純?nèi)菪?功率因數(shù)很低,電源輸出功率幾乎全部消耗在放大器上,因此要選擇合適的散熱方式保證殼溫低于85 ℃。圖7為散熱設(shè)計(jì)分析模型,該模型將功率等效為電流,溫度等效為電壓,熱阻等


2 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的測(cè)試
    PSPICE軟件是一個(gè)多功能的數(shù)模混合電路試驗(yàn)平臺(tái),具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力,能方便、精確地判斷電路設(shè)計(jì)的正確性,故本設(shè)計(jì)采用PSpice V10.5來(lái)測(cè)試所設(shè)計(jì)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。
2.1 穩(wěn)定性測(cè)試
    信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波,幅度為5 V,頻率范圍為10 Hz~1 000 kHz,通過(guò)小信號(hào)增益電路測(cè)試[6],輸出電壓Vo頻率特性曲線如圖8所示。在轉(zhuǎn)折頻率處未出現(xiàn)尖峰,表明相位裕度沒(méi)有下降。經(jīng)過(guò)峰峰值為1 V的階躍響應(yīng)測(cè)試,輸出端未觀察到過(guò)沖或振蕩,故系統(tǒng)在工作頻帶范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。

圖中可看出輸出電壓與輸入信號(hào)成線性關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)為0.999,表明放大器具有較好的線性度,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
    數(shù)字跟蹤式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源具有較高的頻率分辨率和跟蹤實(shí)時(shí)性,通過(guò)高精度低壓運(yùn)放與高壓放大器級(jí)聯(lián)的復(fù)合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高精度的驅(qū)動(dòng)電壓控制,同時(shí)合理的相位補(bǔ)償電路、保護(hù)電路和散熱設(shè)計(jì)保證了驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性和可靠性。
參考文獻(xiàn)
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