高精度數(shù)字跟蹤式壓電陶瓷驅(qū)動電源設(shè)計(jì)*

滕旭東 ，章 東 ，梁曉鋒

(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)

近年來，新型高壓大電流集成放大器廣泛使用于壓電陶瓷驅(qū)動電源的設(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)動電源

壓電陶瓷驅(qū)動電源由自適應(yīng)數(shù)字信號發(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)算放大器級聯(lián)，在高電壓大電流驅(qū)動壓電負(fù)載的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)較高的線性控制精度和動態(tài)響應(yīng)特性。

1.1 數(shù)字信號發(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)信號發(fā)生器的原理框圖[1]。其工作過程為：從取樣電阻Rs處得到與輸出電流成正比的電壓信號Smp，該采樣信號與循環(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，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)刻模擬采樣信號對應(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 D觸發(fā)器來調(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。該信號發(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，輸入級可提供75μV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，而不需要偏置和調(diào)零，這種特性使得OP07適合作前級放大器來控制精度和漂移。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，如圖3所示。

兩個(gè)串聯(lián)的高壓開關(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)0.1μF電容去耦。復(fù)合結(jié)構(gòu)放大器開環(huán)增益AOL等于OP07開環(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。

本設(shè)計(jì)要求輸入電壓Vin為±5 V，輸出電壓Vout為±80 V，工作頻率為4 kHz，壓電陶瓷負(fù)載等效電容CL為1μF，輸出阻抗為3Ω，則復(fù)合放大器參數(shù)計(jì)算如下：

最大轉(zhuǎn)換率：SR=2πfVpk=2π×4k×80×10-6=2 V/μs

放大倍數(shù)：24 dB

本設(shè)計(jì)取 RFC為 340 kΩ，RF為 340 kΩ，RI為 34 kΩ，RIC為 21 kΩ。

1.3 相位補(bǔ)償設(shè)計(jì)

如圖4所示，復(fù)合放大器的開環(huán)增益與小信號交流增益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會在開環(huán)增益AOL的高頻段增加一個(gè)極點(diǎn)fp2=1/Z0CL，修正開環(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)?40 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=1/2πRFCCFC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。

1.3.2 噪聲增益補(bǔ)償

復(fù)合放大器的輸入端接Rn和Cn串聯(lián)支路，組成噪聲增益相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，在fp=1/2πRnCn處1/β曲線提高到20lg(RFC/Rn)dB與AOL/C線相交，閉合斜率差為20 dB/dec，如圖5所示，放大器工作穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)中取Rn為3.4 kΩ，Cn為3 nF，為擴(kuò)大相位裕度和閉環(huán)帶寬，零點(diǎn)補(bǔ)償電容CFC取20 pF。

1.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電流限制電路在PA04的輸出級，能以亞微秒級速度將輸出級電流減少到設(shè)定值，電路保護(hù)原理如圖6所示[5]，電流流過輸出晶體管Q1，并通過采樣電阻Rcl轉(zhuǎn)換成電壓。當(dāng)這個(gè)電壓超過限流晶體管Q2的Vbe電壓時(shí)，前級的驅(qū)動電流被傳到輸出上而關(guān)斷Q1，從而保護(hù)了高壓放大器，外接限流電阻 Rcl，且有 Icl=0.65/Rcl，Icl是限制電流值。 本設(shè)計(jì)取 Rcl為0.33Ω，最大限流 2 A。

放大器OP07輸入端用兩對IN4148二極管反接提供差模和共模保護(hù),防止來自 CFC的瞬態(tài)過壓。OP07輸出端使用快速恢復(fù)二極管MUR160對瞬態(tài)過壓進(jìn)行保護(hù)，阻止來自CF的瞬態(tài)過壓通過PA04將OP07損壞；高壓放大器PA04輸出端可增加一對快恢復(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，熱阻等效為電阻。本設(shè)計(jì)中壓電陶瓷換能器靜態(tài)電容CL為1μF，PA04最大峰值耗散功率為：PD（max）≈4VS2/2πXcl=160 W，靜態(tài)功耗為PQ=2IqVS=0.05×200=10 W，平均功率=0.9·VS·Vout/=128 W，由PA04數(shù)據(jù)表可知：PA04交流熱阻 RTHJC為 0.4℃/W，RTHCS為 0.05℃/W，故散熱器熱阻RTHSA為[5]：

因此所選用散熱器熱阻應(yīng)小于0.43℃/W。

2 壓電陶瓷驅(qū)動電源的測試

PSPICE軟件是一個(gè)多功能的數(shù)?；旌想娐吩囼?yàn)平臺，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來測試所設(shè)計(jì)的壓電陶瓷驅(qū)動電源。

2.1 穩(wěn)定性測試

信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，幅度為5 V，頻率范圍為10 Hz～1 000 kHz，通過小信號增益電路測試[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，表明相位裕度沒有下降。經(jīng)過峰峰值為1 V的階躍響應(yīng)測試，輸出端未觀察到過沖或振蕩，故系統(tǒng)在工作頻帶范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。

2.2 線性度測試

信號發(fā)生器產(chǎn)生 4 kHz正弦波，輸入電壓0～5 V，每隔0.1 V采樣復(fù)合放大器輸出電壓。在1μF容性負(fù)載下，輸入信號與對應(yīng)輸出電壓的擬合曲線如圖9所示。圖中可看出輸出電壓與輸入信號成線性關(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)動電源具有較高的頻率分辨率和跟蹤實(shí)時(shí)性，通過高精度低壓運(yùn)放與高壓放大器級聯(lián)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高精度的驅(qū)動電壓控制，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)動電源的穩(wěn)定性和可靠性。

[1]滕旭東，傅友登，王弘輝，等.基于數(shù)字 PWM的新型超聲波清洗電源的研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33(9)：154-157.

[2]姚鵬，劉巖.針對容性壓電負(fù)載的橋式功率放大電路的

設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2011，33(2)：235-238.

[3]CIRRUS L.Stability for power amplifiers[EB/OL].[2009-02-27].http://www.cirrus.com/en/pubs/appNote/Apex_AN19U_D.pdf.

[4]CARTER B，MANCINI R著.運(yùn)算放大器權(quán)威指南(第 3版)[M].姚劍清，譯.北京：人民郵電出版社，2010.

[5]CIRRUS L.General operating considerations[EB/OL].[2009-04-13].http://www.cirrus.com/en/pubs/appNote/Apex_AN01U_G.pdf.

[6]楊雪鋒，李威，王禹橋，等.壓電陶瓷致動器驅(qū)動電源的仿真及設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息(測控自動化)，2009，25(1-1)：209-211.