非對稱式壓電陶瓷致動器電源設(shè)計

黃世玲+梁承權(quán)+張穎+朱薇茜

摘 要：研究了一種壓電陶瓷致動器電源的設(shè)計，并應(yīng)用于數(shù)字共焦顯微儀系統(tǒng)。采用普通的OP07運(yùn)算放大器與高壓互補(bǔ)推免三極管的電路設(shè)計模式。采用非對稱式的直流電源供電方式設(shè)計，在降低了電路設(shè)計復(fù)雜性的同時也提高了電源的利用率。通過對實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測試證明，該非對稱式電源效率為60%以上，同時具有輸出電壓紋波小，精度高以及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；致動電源；數(shù)字共焦；低紋波

中圖分類號：TN79+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0023-02

引言

隨著科技的發(fā)展，人們對微位移控制的要求越來越高，而壓電陶瓷是納米位移控制領(lǐng)域中的重要器件[1]。目前，國內(nèi)外對壓電陶瓷驅(qū)動器電源的研究已經(jīng)取得了一定的研究成果，并形成了比較成熟的產(chǎn)品；但由于技術(shù)的保密，壓電陶瓷驅(qū)動器的相關(guān)產(chǎn)品價格依然居高不下[2]。目前的壓電陶瓷致動器電源研究中大多采用專用的高壓運(yùn)算放大器芯片方案，例如PA系列的高壓功率運(yùn)算放大器芯片。但由于該高壓功率運(yùn)算放大器成本較貴，而且功耗較大，不適合本課題使用。本文研究的壓電陶瓷致動器電源應(yīng)用于數(shù)字共焦顯微儀系統(tǒng)中。采用壓電陶瓷制作的壓電陶瓷物鏡致動器可以采集等間距的細(xì)胞樣本序列切片圖像，由計算機(jī)系統(tǒng)完成三維重構(gòu)[3]。因此，本文研究的壓電陶瓷致動器電源設(shè)計對發(fā)展我們高清光學(xué)顯微領(lǐng)域有著重要的意義。

1 電源的設(shè)計指標(biāo)

本文設(shè)計的電源驅(qū)動對象為已經(jīng)裝載有顯微物鏡的壓電陶瓷致動器，型號為XP-721.SL壓電陶瓷物鏡致動器，該產(chǎn)口由用芯明天科技公司生產(chǎn)。通過對該壓電陶瓷物鏡致動器產(chǎn)品手冊研究可以，當(dāng)其控制輸入電壓從0到150V變化時，對應(yīng)控制行程輸出范圍為0到100um。等效靜電容量C=3.6uF，最大開環(huán)額定功率為P=5W。

根據(jù)容性負(fù)載在動態(tài)應(yīng)用中的計算如式（1）所示，而流過容性負(fù)載的峰值電流計算公如式（2）所示[4]。

分別將壓電陶瓷致動器的額定功率P=5W，等效電容量C=3.6uF，峰峰值UPP=150V，代入式（1）和式（2）可得輸出（吸收）的峰值電流IMAX≈105mA。

考慮本課程應(yīng)用于數(shù)字共焦顯微儀采集細(xì)胞切片圖像的最小間距為50nm，可知本電源的最小步進(jìn)電壓為75mV，因此，本電源對紋波的要求應(yīng)小于36mV。綜上分析，本文設(shè)計的電源指標(biāo)為：輸出電源電壓范圍0～+150V，最大輸出峰值電源100mA，紋波小于36mV。

2 非對稱式驅(qū)動電源設(shè)計

2.1 電源電路原理分析

本文設(shè)計的高壓直流功率放大器如圖1所示，該電路由前置誤差放大器與三級管電路組成。電壓放大倍數(shù)為AV1的計算公式如式（3）所示；Rf等于R12、R13、R14相加，Ri等于R11。R12、R13、R14串聯(lián)分擔(dān)功率消耗。

AV1=1+Rf/Ri （3）

OP07運(yùn)放作為誤差放大器，最大75uV的零點(diǎn)漂移輸出；DAC輸出電壓為0～4.095V，對應(yīng)的輸出電壓為0～150V，則AV1約為36.63倍，最大輸出零點(diǎn)漂移約為2.8mV。Q1、Q2為三極管互補(bǔ)對稱放大電路，同時由Q1、Q2分別組成的電流源電路互為三極管共射放大電路的集電極輸出電阻。后級功率輸出由Q4、Q5互補(bǔ)推挽電路組成。在輸出端加入了Q8、Q9小功率三極管過流保護(hù)，當(dāng)輸出（吸收）電流大于100mA時，電阻R7（R8）上壓降將使Q8（Q9）導(dǎo)通，限制輸出的電流。采用非對稱供電方式，應(yīng)注意電阻R1、R2、R3、R4的選擇，使OP07的輸出端電位為0V附近；同時應(yīng)根據(jù)Q4、Q5的輸出電流大小決定Q1、Q2電流源的電流輸出；通過選擇電阻R5、R6的阻值來控制電流源的電流。

2.2 電源效率計算

本設(shè)計電源在動態(tài)工作時的電源效率計算如式（4）：

（4）

設(shè)PO為輸出功率，PV為電源輸入功率，VO為電源最大輸出電壓峰峰值150V，VCC為正負(fù)電源電壓和。當(dāng)采用對稱電源供電時VCC為310V，代入式（4）計算電源效率約為38%；當(dāng)采用非對稱電源供電時VCC為170V，可由式（4）計算出本文設(shè)計的電源效率約為69%。

3 電源性能測試與分析

對圖1電路進(jìn)行PCB設(shè)計，最后完成硬件電源實(shí)物制作；接上本課題的XP-721.SL壓電陶瓷物鏡致動器對電源進(jìn)行測試，記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)并采用MATLAB軟件進(jìn)行分析。

3.1 電源輸出峰值電流測試

采用正弦波對本電源進(jìn)行輸入激勵，可得輸出波形如圖2所示，可知為本文設(shè)計的電源能輸出150VPP的峰峰值電壓，周期為16MS，頻率為62.5HZ，并且輸出正弦波波形沒有失真。將頻率、幅度代入公式（1）、（2）可得本設(shè)計電源的輸出功率為5.02W，輸出電流為105mA。因此，經(jīng)過測試可知本設(shè)計電源輸出電壓、電流以及功率指標(biāo)能滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

3.2 紋波測試

本文對所設(shè)計電源輸出為0-150V電壓進(jìn)行等間隔的16個點(diǎn)的電壓值紋波測試，采用示波器觀察紋波的峰值大小，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，采用EXCEL生成紋波分布圖如圖3所示。由圖3可知，電源最大紋波峰值不超過15mV，電源紋波小，控制精度高。

4 結(jié)束語

采用OP07運(yùn)算放大器與三極管設(shè)計了一種采用非對稱電源供電的壓電陶瓷致動器電源的方案。經(jīng)過對電源硬件的測試分析，該電源輸出電壓、電流、功率以及紋波大小均滿足本課題設(shè)計指標(biāo)要求。該電源采用非對稱式電源供電方式，能有效減小電源功耗，提高電源效率的同時減小了電源的發(fā)熱量，因此正常情況下不需要對電源安裝散熱裝置，從而能減小電源的體積，降低開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊雪鋒，李威，王禹橋.壓電陶瓷驅(qū)動電源的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].儀表技術(shù)及傳感器，2008，11：109-112.

[2]林廣升.數(shù)字共焦顯微技術(shù)壓電物鏡控制器設(shè)計[D].廣西大學(xué)，2015.

[3]聶雄，陳華.數(shù)字共焦顯微儀序列光學(xué)切片自動采集方法研究[J].儀器儀表學(xué)報，2010，31（9）：2148-2152.

[4]林廣升，陳華.基于LTC6090的格式壓電物鏡驅(qū)動器驅(qū)動電源設(shè)計[J].廣西大學(xué)學(xué)報，2015，40（3）：744-749.endprint