基于pa开的电压控制型压电陶瓷驱动电源设计

基于pa开的电压控制型压电陶瓷驱动电源设计

1压电陶瓷驱动电源由于压力材料具有特殊的正、负压电耗，因此可以将压电耗用作传感器和枪。由于它具有轻重低量、低电压转换效率等优点，它一直是智能材料领域的研究热点。利用其逆压电效应将其作为驱动器时离不开高性能的驱动电源,这样的驱动电源要求电压高,要达到几百V以上,但电流小,故国内外一直关注于压电陶瓷驱动电源的研究。如日本筑波大学的松岛皓三等选用集成元件组成恒流源电路,并利用EMM法对其动态特性进行校正,使压电陶瓷获得小于10nm的分辨率、35nm的重复性、0.80%的线性度以及80Hz的带宽。日本的Kaizuka等人利用反馈电容直接控制压电陶瓷的充电电荷量,电容的输入电压值与压电陶瓷的电充电电荷量成正比。国内在压电陶瓷驱动电源方面的研究处于起步阶段,仅有如南京航空航天大学的佛能科技有限公司等少数公司在研究压电陶瓷驱动电源。对比国内外研制的压电陶瓷驱动电源,可以发现国内产品的动态性能、频率响应、稳定性、输出纹波等关键指标与国外的成熟产品均存在较大差距,并且国外产品价格昂贵,购买渠道受限制。因此,研究压电陶瓷驱动电源具有很高的科学研究价值和经济价值。为了改进现有压电陶瓷驱动电源在精度、稳定性和分辨率方面较差的不足,本文设计并实现了一种电压控制型电源,并对其关键参数进行了测试。实验结果表明所设计驱动电源满足设计要求。2控制型驱动电源压电陶瓷驱动电源的电路主要有电压控制型和电流控制型2种。实际应用中,应根据每种驱动方法的优缺点及其适用的场合,决定具体采用何种驱动电路来驱动压电陶瓷。考虑到本设计主要针对压电陶瓷材料应用于低频场合,选择电压控制型的驱动电路作为设计的核心部分。基于压电陶瓷的输出位移与其两端的输入电压呈近似线性关系的原理,电压控制型驱动电源主要通过控制输入电压来控制压电陶瓷的振动以及位移,其主要分为2种形式:一种是开关式驱动电源,这类驱动电源主要基于直流电压变换原理,输出信号中混有较多的纹波,频响范围窄,电路实现也很复杂,很难应用在对输出精度和低频响应要求较高的场合;另一种则是基于电压放大原理的直流放大式驱动电源,这类电源的输出纹波小,频响范围宽,电路结构的可靠性也较高。根据电路结构的不同,直流放大式驱动电源又可进一步分为误差放大式和电压跟随式。由于电压跟随式驱动电源的输出精度和效率比较低且发热严重,主要研究误差放大式的高压运放驱动电源。2.1驱动电源的设计为提高电源的可靠性和性价比,达到最佳设计效果,驱动电源设计阶段主要考虑电源的整体性设计原则、低功耗设计原则、可靠性设计原则以及高性价比设计原则。同时考虑驱动电源的市场定位和制造成本,在不影响电源各项性能参数的前提下,选用物美价廉的元器件和简单高效的加工工艺,以提高设备在市场中的竞争力。总体设计方案中驱动电源的内部电路结构,按功能将其分为输入控制模块、电压放大模块、直流稳压模块和电荷检测模块4部分。输入控制模块根据检测到的电荷量输出相应的电压;直流稳压模块提供稳定的直流电压;电压放大模块实现电压的放大功能,输出具有一定驱动能力的稳压电压,该部分决定着驱动电源的输出性能,是电源设计的核心部分;电荷检测模块则以积分电路为核心,测得容性负载的电荷量,并反馈到电源的输入控制模块,在电源内部形成闭环系统,使电源具备电压控制型驱动电路的低频稳定性,同时具备电荷控制型驱动电路的良好的动态性能。电源总体设计方案如图1所示。2.2全线规划和电源的详细电路设计2.2.1pa钢平台的电路结构核心放大电路采用电压控制型双级放大结构,如图2所示。前置低压误差放大器以获得较小的输入偏置电压,后置高压功率放大器以获得大输出功率和高耐压特性。通过2个放大环节的串联,实现整个放大电路的带宽和放大倍数可调。根据放大电路的知识可以得到各级电路输入与输出电压之间的关系:考虑到二级放大的输出电压非常高,故选用PA78DK放大芯片,PA78由美国CirrusLogic公司设计和生产,是一款输出电流可达100mA的高电压、低静态电流MOS-FET型运算放大器。单、双端供电模式下,该运放输出电压的摆幅可分别达到+440V和±215V,转换速率为8V/μs,同时具有很高的电源电压抑制比,降低了对高压直流电源的要求。而且,PA78DK集运算放大器、功率放大电路、保护电路于一体,使电路的集成度和可靠性大大提高,同时减小了体积;一级放大电路选用OP07CP运算放大器。高压运算放大器电路设计如图3所示。图3中,放大电路的输入电压设定为±10V。前级放大电路的放大倍数设计为1,后级为12,因此电路总体放大倍数为12,输出电压的最大值(峰-峰值)为±120V,在这种情况下,PA78DK的供电电压至少要达到±150V。整体电路的输入失调电压由前置放大器OP07CP决定,其最大输入失调电压为0.8mV,提高了电路的精度,减小了漂移误差。2.2.2高压直流电源如图3所示,驱动电路的核心部分需要提供±15V、±150V的直流稳压电源。其中,高压直流稳压电源的性能将直接决定线性放大电路输出电压的质量,进而影响压电陶瓷的应用特性。采用低压串联法,用化零为整的方法,将多路独立的低压直流稳压电源串联组成所需的高压直流作为稳压电源,整个稳压电源的稳压性能和动态响应特性由每个独立可调的低压电压电源的性能决定。通过这种方法得到的高压直流电源具有输出电压可调节范围广、稳定性高和纹波小等优点。设计中由8路40V的低压直流稳压电路串联得到±150V的高压直流,稳压芯片采用TI的三端稳压芯片LM317。每一路的设计分为变压器部分、全桥整流和滤波部分以及稳压电路部分3个部分。将8路低压直流电路依次串联起来,4路提供正的电压,4路提供负的电压,便可以得到±150V的高压直流稳压电源,如图4所示。2.2.3快速放电回路压电陶瓷是电介质,在分析和应用时经常等效为容性负载,其两端的电压不能发生跃变。因此,在高压运放的输出端设计了供压电陶瓷快速放电的放电回路。经分析后选用低功耗、低补偿电压的比较器LM399,具有快速转换速率的功率场效应管IRF740、D1、D2及精密可调电阻构成快速放电回路,如图5所示。高压输出电压经稳压二极管进入比较器的输入端,经比较器LM399时V+<V-,且在对压电陶瓷充电过程中始终保持这种状态,此时比较器的输出电平为低电平,场效应管不工作;当高压运放输出电压下降时,V+<V-,此时比较器的输出为高电平,场效应管处于导通状态,压电陶瓷经过场效应管和小阻值电阻快速放电,其放电时间为ms级。放电回路的设计,能显著提高驱动电源定位的快速响应能力,使其能应用于压电材料作为驱动器的精密驱动场合。3电源性能分析3.1电路的稳态3.1.1相位补偿网络采用的基于PA78DK的放大电路为负反馈放大电路,极易产生180°相移造成自激振荡。通过在输入和输出引线端外接RC补偿元件,构成相位补偿网络来防止这种情况发生。PA78DK的相位补偿采用CR+、CC+和CR-、CC-组成的双外接RC补偿元件方式实现,CR+=CR-=3.3kΩ,CC+=CC-=15pF,电容CC+和CC-的值越大,系统的稳定性越高。3.1.2相位控制的作用通常利用放大电路开环增益的波特图从理论上分析反馈放大电路的稳定性。在开环增益曲线上每增加一个极点,该反馈电路每十倍频程的相位就会减少45°,极点的引入会破坏电路的稳定性。而每增加一个零点,反馈电路每十倍频程的相位就会增加45°,因此引入零点有利于提高电路的稳定性。针对高压运放PA78DK输入端的寄生电容和容性负载引起的相位滞后等问题,采用在反馈电阻两端接入补偿电容和在运放的输入端接入串联的电阻和电容的方法对其开环增益曲线进行修正,保证电路的稳定性。3.2驱动电源输出频率的确定在不考虑共振频率的情况下,可以将压电陶瓷视作等效电容。外加正弦信号时,其两端电压U和信号频率f、电容值C、电流I的关系可以表示为:如果电流不变,当输出电压达到最大时可得电源全功率输出时的上限频率fｌｉｍ,如式(3)所示:式中:Ip为峰值电流,Vp-p为输出电压的峰-峰值。显然,对于容性负载,驱动电源的输出电流、电压和频率存在确定的数学关系。设计的驱动电源,工作频率范围是0~2kHz,为确保在全功率输出时电源仍能工作在这个范围,必须将容性负载的电容值限制在某个范围之内,根据式(3)可得CL应该小于0.1μF,此时驱动电路能够满足设计的频率指标。4对工艺的设计及应用在电路的PCB设计中,元器件的布局非常重要。布局的方式主要分为2种:一种是手动布局;另一种是自动布局,通常是在自动布局的基础上用手动布局进行调整。PCB布局时,首先要考虑PCB的尺寸。尺寸过大,冗长的印制线将使PCB的阻抗增加,抗干扰能力下降,成本也会提高;尺寸过小,临近线路易受干扰,且不利于PCB散热。在确定了PCB的尺寸后,要安排特殊元器件的位置,例如本设计中的高压电容、稳压器、连接器以及PA78DK芯片。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。绘制PCB时,除了以上强调的布局、布线和屏蔽等原则,还需要根据器件的特点,进行辅助性的设置。例如,功放器件的发热量较大,当温度达到一定数值时,将严重影响器件的正常工作。因此,在功放表面放置了结合散热片和风扇的散热装置,有效降低了芯片的发热量。另外,高压电源电路中的LM317、337也是功率器件,制作时应加上铝片进行散热处理。最终设计的电路图如图6和7所示,驱动电源外形图及相关参数分别如图8和表1所示。5驱动电源参数的测量驱动电源制作完成后,按照研究课题的设计指标,对它的各项参数进行测量和标定,以确定其基本的工作性能。测试系统的仪器组成如图9(a)所示,主要包括:泰克信号发生器AFG3021、自制的压电陶瓷驱动电源PDS120、泰克四通道示波器DPO4034、屏蔽线以及实验对象。实验对象是一种圆筒式压电陶瓷,半径为24mm,长度为40mm,厚度为2mm,用精密万用表测得其电容值为40nF,如图9(b)所示。为获取驱动电源的基本参数,找出电路设计中存在的不足,在容性负载条件下,对驱动电源的线性度、纹波电压、时漂电压等关键参数进行测量。记录测量的数据并对其进行分析。5.1驱动电源线性度测试线性度是指测试系统的输出与输入能否和理想系统一样保持正常值比例关系(本文设计的比值为12)的一种度量。线性度是驱动电源的关键性能之一,并直接决定电源在诸多应用中的可行性和可靠性。例如,在压电陶瓷的微位移应用中,对驱动器位置定位的要求非常苛刻,因此对驱动电源的线性度要求也极高。实验时,在驱动电源的输入端接入稳定的直流电压,电压值从0.0V按0.2V的差额逐个递增至10.0V,并测得每个对应的输出电压,记录测量数据。将测量数据导入Origin中,进行一次多项式拟合,利用Origin中的拟合工具FitPolynomial对测量数据进行处理,可以得到每个测量点与拟合曲线的之间的差值,测量数据及拟合结果如图10及表2所示。由实际测试输出电压与理想输出电压的比较可知,在1.6V时,实测数据与拟合值的误差最大,为0.57545V。经过计算,电源线性度为0.48%,说明在容载条件下,自制驱动电源的线性度很高。5.2驱动电源电压漂移的测量电压源输出电压随时间或温度的变化而发生改变,从而偏离标称值的现象称为电压漂移,它是衡量电源性能的重要参数。时间漂移、温度漂移过大会影响仪器设备的正常使用,因此对电源进行电压漂移的测量是十分必要的,这里对驱动电源的时间漂移进行测量。将室温控制在26℃,对驱动电源预热0.5h后,开始测量电压,每间隔1h读1次电压值。分别测出0V、20V、40V、60V、80V、100V、120V时的电压值,连续测量8h,将电压的变化数值记录下来,如表3所示。根据测量的数据可知,电源在输出电压为0~120V的范围内,连续工作8h电压的变化量小于10mV,说明驱动电源具有极低的时间漂移,满足设计的基本要求。5.3互通环境下的纹波测量驱动电源输出电压中的纹波电压很大程度上影响了位移驱动装置的精度,因此它是衡量驱动电源性能好坏的关键参数。在实验室环境下,测量纹波有具体的要求。首先,纹波测量一般都是在半载或者满载时测量,建议最好是满载。将泰克示波器的输入设置成交流耦合,并用导线将泰克探头的地从内部引出。纹波测量数据如表4