高精度數字跟蹤式壓電陶瓷驅動(dòng)電源設計

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動(dòng)電源的設計中，然而壓電元件表現出的電容性和功率運放較高的輸入失調電壓（幾十毫伏），使得壓電陶瓷電源控制存在精度不高、穩定性較差以及非線(xiàn)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(dòng)態(tài)響應速度。因此設計一種高精度、穩定性好的數控壓電陶瓷電源是實(shí)現微位移控制、非線(xiàn)性檢測以及微機電系統轉換的關(guān)鍵[2]。
1 壓電陶瓷驅動(dòng)電源
壓電陶瓷驅動(dòng)電源由自適應數字信號發(fā)生器、D/A轉換、復合放大器、高壓直流電源、相位補償和保護電路等組成，如圖1所示。其中復合式放大器優(yōu)化了前級輸入結構，采用高精度低漂移的低壓運放與高壓集成功率運算放大器級聯(lián)，在高電壓大電流驅動(dòng)壓電負載的同時(shí)，實(shí)現較高的線(xiàn)性控制精度和動(dòng)態(tài)響應特性。

1.1 數字信號發(fā)生器
壓電陶瓷元件工作頻率受溫度、負載和接觸面的影響較大，因此信號發(fā)生器應具備頻率跟蹤功能，以實(shí)時(shí)調節工作頻率。圖2所示為一種數字式自適應信號發(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Smp，該采樣信號與循環(huán)計數器經(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)計數值存放至鎖存器組，該值即為此時(shí)刻模擬采樣信號對應的數字量。循環(huán)計數器每隔128個(gè)周波，更新一次數字量，相鄰時(shí)刻的兩個(gè)數字量送入極值比較器，則可判斷電流變大（1）或減少（0），比較結果(1或0)通過(guò)D觸發(fā)器來(lái)調整頻率控制計數器方向，確定頻率控制字的增減，自適應地實(shí)時(shí)調整頻率。調整后的頻率控制字查找波形數據表，輸出12位數字量經(jīng)D/A轉換產(chǎn)生正弦波、方波和其他波形信號。該信號發(fā)生器由全數字硬件電路實(shí)現，分辨率高，工作頻率穩定且無(wú)溫度漂移現象。

1.2 復合放大器
PA04是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的一種高電壓MOSFET功率運算放大器，工作電壓高達200 V，峰值輸出電流為20 A，轉換率為50 V/μs，最大輸入失調電壓可達10 mV，因輸入特性不能滿(mǎn)足分辨率為10 mV以下的高精度壓電驅動(dòng)電源的要求，所以需配合其他器件使用。OP07是一種低噪聲、高精度的單片運算放大器，轉換率為0.17 V/μs，輸入級可提供75 μV的高精度輸入失調電壓和漂移，能高增益地放大微弱信號，而不需要偏置和調零，這種特性使得OP07適合作前級放大器來(lái)控制精度和漂移。故本設計的復合放大器由高壓放大器PA04和低漂移高精度OP07運放級聯(lián)組成[2-3]，形成一個(gè)具有反饋的復合式放大器，其中OP07是主放大器，而PA04用作升壓放大器，實(shí)現高精度和低漂移的高電壓電源的驅動(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，在復合放大器電源兩端分別并聯(lián)0.1 μF電容去耦。復合結構放大器開(kāi)環(huán)增益AOL等于OP07開(kāi)環(huán)增益和PA04的閉環(huán)放大倍數之和，復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。

1.3 相位補償設計
如圖4所示，復合放大器的開(kāi)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。當復合放大器驅動(dòng)容性壓電負載時(shí)[3]，放大器的輸出阻抗Z0和容性負載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(xiàn)為AOL/C，圖4中在fcl(標注為 )處閉合斜率差變?yōu)?0 dB/dec，大于20 dB/dec，相移接近180°，處于臨界穩定狀態(tài)，很可能產(chǎn)生振蕩而損壞放大器，故對復合放大器進(jìn)行相位補償設計。

1.3.1 零點(diǎn)補償
復合放大器的零點(diǎn)補償包括升壓放大器PA04和復合結構的補償。為確保容性負載時(shí)PA04升壓放大器工作穩定，對PA04的反饋電阻RF和并聯(lián)電容CF進(jìn)行零點(diǎn)補償[3-4]。本設計取CF為2 pF，放大器相位裕度大于45°；復合結構反饋電阻RFC并聯(lián)反饋電容CFC，形成零點(diǎn)補償電路。該補償結構使1/β曲線(xiàn)在fp5=1/2?仔RFCCFC處以20 dB/dec速度下插，與AOL/C曲線(xiàn)相交得到40 dB/dec，但仍然大于20 dB/dec,故復合放大器不穩定，需要噪聲增益補償。

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,防止來(lái)自 CFC 的瞬態(tài)過(guò)壓。OP07 輸出端使用快速恢復二極管MUR160對瞬態(tài)過(guò)壓進(jìn)行保護，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輸出端可增加一對快恢復二極管UF4004，反向恢復時(shí)間應小于100 ns，防止壓電負載由于機械壓力產(chǎn)生的電壓對放大器的沖擊，將尖峰電壓送回電源。
1.5 散熱性設計
壓電陶瓷驅動(dòng)電源的散熱設計主要考慮復合放大器的功耗，因壓電負載呈純容性,功率因數很低,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為散熱設計分析模型，該模型將功率等效為電流，溫度等效為電壓，熱阻等

2 壓電陶瓷驅動(dòng)電源的測試
PSPICE軟件是一個(gè)多功能的數?；旌想娐吩囼炂脚_，具有快速、準確的仿真能力，能方便、精確地判斷電路設計的正確性，故本設計采用PSpice V10.5來(lái)測試所設計的壓電陶瓷驅動(dòng)電源。
2.1 穩定性測試
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(guò)小信號增益電路測試[6]，輸出電壓Vo頻率特性曲線(xiàn)如圖8所示。在轉折頻率處未出現尖峰，表明相位裕度沒(méi)有下降。經(jīng)過(guò)峰峰值為1 V的階躍響應測試，輸出端未觀(guān)察到過(guò)沖或振蕩，故系統在工作頻帶范圍內是穩定的。

圖中可