基于PB58的新型压电陶瓷驱动电源设计

王 洁, 秦会斌

(杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所, 浙江 杭州 310018)

0 引言

居里兄弟发现具有正逆压电效应的压电陶瓷后,大量的科学家被其独特性能所吸引,从而投入到相关的研究中[1],压电陶瓷的应用技术随之得到飞速发展,并在微驱动定位领域中得到广泛应用。基于压电陶瓷的精密微位移系统的性能优劣取决于压电陶瓷驱动器[2-3],因此设计出一种具有高频响、高稳定性和快速的动态响应的驱动器一直是该领域的研究热点[4-5]。

国内在该领域虽有一定的研究成果,但仍存在产品种类较少,功能单一,性能较低等缺陷[6]。其原因主要有:

1) 许多驱动电源的设计主要采用分立元件组成,使系统结构复杂且不稳定,系统维护难,因而难以推广使用。

2) 单纯的模拟电路系统不具备可调性,不能适应多样化的应用需求,实际应用受限[7]。

本文设计了一种基于高压集成运放芯片的数字化压电陶瓷驱动电源系统,经过对电路原理的严谨分析及对器件的认真选择,完成电路的设计并通过测试验证了电路的可行性。

1 总体设计方案

1.1 驱动系统结构

由单片机控制的压电陶瓷驱动系统结构如图1所示。由STM32单片机作为可调信号源[8],通过电压采样电路对输出电压采样,再通过单片机外接的液晶屏实现信号参数的可视化。功率放大电路采用直流放大式电压控制,以集成功放芯片为核心的放大电路,通过对信号源产生的小信号进行电压放大及功率放大,以驱动容性压电陶瓷负载。高压稳压电源电路将220 V交流电转化为稳压直流电源,为功率放大电路供电。

图1 驱动电源总体结构

1.2 驱动系统的参数

设计中,测试使用的压电陶瓷等效电容CL为0.1 μF,输出频率f为4 kHz的正弦波,输出正弦波峰-峰值Umax最高达140 V。压电陶瓷等效负载为

(1)

输出最大电流为

(2)

根据最高输出频率fmax及最大输出电压计算出最大压摆率为

SR=2πfmaxUmax=3.52(V/μs)

(3)

综上分析,驱动电源具体要求为:

1) 输出电压峰-峰值(0～280 V)连续可调。

2) 信号频率为0～4 kHz。

3) 压摆率>3.52 V/μs。

2 电路设计与分析

2.1 信号源电路设计

STM32单片机具有速度快,功耗及成本低等优点,内部集成了12位ADC和DAC,可产生高精度的模拟信号。通过单片机开发板载有的独立按键控制输入信号的频率和电压,外接液晶显示屏显示输入信号及输出信号的具体参数,以便在使用时监测和调控。

信号采样电路如图2所示。基于LM358运放组成的反向放大电路,将压电陶瓷负载上的高压输出采样信号控制在3.3 V内,再通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号传输单片机处理。

图2 电压采样电路原理

2.2 放大电路的设计与分析

2.2.1 器件选择与电路结构

根据对上述电路参数的分析,采用OP07和PB58组成负反馈复合功率放大器,设计的直流放大式驱动电路如图3所示。

图3 复合放大电路原理

OP07具有75 μV的低输入偏移电压,作为前级电压放大可显著提高电路的精度[9],同时可隔离功率放大器和数字控制电路,起一定的保护作用。APEX公司设计的PB58型高压运放芯片作为二级功率放大器,驱动容性负载。该器件具有速度快,输出功率大,静态功耗小等优点,输出级利用互补MOSFET提供对称的输出阻抗,并消除双极晶体管施加的第二击穿限制,双端供电时电压差可达300 V,最大连续输出电流可达1.5 A,最高转换速率为100 V /μs。PB58的转换速率远大于OP07的转换速率,可有效地防止复合放大电路出现失真和非线性的情况[10]。

2.2.2 电路特性分析

因为开环增益较大,故复合放大器总的放大倍数可简化为1/β=R2/R1,单片机提供的最大输入电压为3.3 V,放大电路的最大输出电压达140 V,因此,放大电路的理论放大倍数为42.42。为了防止增益过大而破坏电路的稳定性,应合理分配前后级放大器的放大倍数。设PB58的放大倍数为30,即1+R4/R3=30,则取电阻R1=2 kΩ,R2=85 kΩ,R3=3 kΩ,R4=87 kΩ。

PB58提供多个外接端口,以满足灵活的应用需求,补偿电容CC=22 pF,以增加电路的稳定性并扩展带宽。限流电阻RCL=0.66 Ω,可将输出电流限制在1 A内。增益电阻RG为放大器本身的增益, 根据芯片手册,设RG=290 kΩ。

容性负载和集成运放的输出电阻串联产生极点,影响放大电路的稳定性[11]。放大器PB58的输出电阻Ro=35 Ω,压电陶瓷等效电容CL=0.1 μF,产生的极点频率为

(4)

如图4所示,通过AOL(开环增益)曲线减去 1/β(环路反馈)曲线得到AOLβ(环路增益)的值,fc为AOLβ=0 时的频点,同时也是环路的闭合点,通过分析AOL与 1/β在fc的闭合速率可判断电路的稳定性。新增极点fp2将会更改复合放大器的AOL曲线,使1/β曲线和AOL曲线的闭合速率从-20 dB/十倍频变为-40 dB/十倍频,输出信号产生更多相移,系统易发生振荡。为了改善系统的稳定性,需对系统进行相位补偿。

图4 AOL开环增益图

使用单一的补偿方法虽然结构简单,易实现,但会牺牲电路其他性能。而使用多种补偿技术可使彼此相互消除或减轻对电路带来的负面影响。本文采用了反馈零点补偿法噪声增益补偿法共同提高稳定性,反馈零点补偿可弥补噪声增益补偿减少的带宽,而噪声增益补偿可减轻补偿电容Cf容差对电路的影响,提高了放大电路的准确度。电路补偿结果如图5所示。

图5 电路补偿幅度图

由Rn、Cn组成的噪声增益补偿网络为1/β曲线增加了零点和极点,分别为

(5)

(6)

由R2、Cf组成的反馈零点补偿网络为1/β曲线增加了反馈零点,即:

(7)

在频率较高时,Cn趋近于短路,Rn≪R1,1/β的值由R2/R1增加为R2/Rn,形成与AOL提前交汇的趋势,交点的闭合速率变为-20 dB/十倍频,增加了系统稳定性。而由反馈零点补偿产生的极点fp3使1/β在和AOL相交前以-20 dB/十倍频的速率下降,直至与AOL速率为-40 dB/十倍频的部分相交于fc,在交点fc同样具有-20 dB/十倍频的闭合速率,维持了系统稳定性。

综上所述,在设计放大电路时,主要针对驱动容性负载时系统不稳定的问题,提出采用两种补偿法相结合的方式极大地提高了电路的稳定性。

2.3 稳压电源的设计

采用的高压稳压电路为运放芯片PB58提供功率输入,如图6所示。通过匝数比为6∶1的变压器把220 V交流电转变为10路36.7 V的交流电,每路再经全桥整流滤波及三端稳压器LM317后输出30 V的直流电。三端稳压器LM317的输出电压为

图6 直流稳压电源原理

(8)

经计算,取Rm=5.5 kΩ,Rn=240 Ω。将10路30 V电源串联,以中心点为地,可在两端分别得到±150 V的直流电压。电容CAdj可滤除Rm两端的纹波,输入电容C1、C2及输出电容C3、C4既起滤波作用,又可起防振作用,防止电路受到高频脉冲的干扰产生振荡。

该直流稳压电源不仅输出稳定,还通过多路电压串联的方式减少了直流电压中的纹波。通过调整Rm可用两路同样的电路输出±15 V的直流电源,为OP07供电。

3 测试结果分析

电路系统的分析与设计完成后,对系统的各项性能进行测试,以验证设计的可行性。

3.1 输出响应测试

由单片机输出频率4 kHz、峰值0～3.3 V的可调正弦波时,放大电路输出为峰值0～140 V的正弦波。通过示波器同时观察输入、输出信号,结果如图7所示。由图可看出,输入信号经反向放大后输出具有180°相移的输出信号,跟随效果良好,输出波形平滑不失真。

图7 波形输出

3.2 阶跃响应测试

阶跃响应测试可反映系统的稳定性和响应速度,输入0～3.3 V阶跃信号,通过示波器观察输出信号,结果如图8所示。由图可知,输出响应时间为45 μs,电压在达到标准输出后一直保持稳定,无过冲和震荡。

图8 阶跃响应

3.3 系统线性测试

线性度描述系统输出与输入之间是否符合线性关系。线性度越高,系统的准确性和可靠性越高,较低的线性度意味着系统存在较大的误差。

在输入端接入-3.3～3.3 V的直流电压,扫描增量为0.005 V,得到输入、输出间的线性度曲线如图9所示。由图可看出,驱动系统在额定区间内具有优良的线性度。

图9 系统线性度测试

4 结束语

本文分析了压电陶瓷驱动电源原理,并设计了一款以PB58为核心器件的驱动电源系统,通过STM32单片机实现输入的可调及输出的可视化,可输出频率为4 kHz的140 V交流电压。经过多项性能测试证明,该系统具有稳定性高,驱动能力强,集成度高等优点,具备一定的实用价值。