基于復合式電路的壓電陶瓷驅動電源設計

基于復合式電路的壓電陶瓷驅動電源設計

1動態(tài)電源的設計與分析近年來，隨著科學技術的發(fā)展，壓瓷執(zhí)行器的應用越來越廣泛，對其激勵電源的要求也越來越嚴格。例如，精度、頻帶寬度、抗自激能力等。因此，設計出性能良好的高精度動態(tài)驅動電源，已成為壓電陶瓷執(zhí)行器發(fā)展過程中面臨的重要問題之一。由于驅動電源理論抽象，電路結構復雜，在設計分析的過程中往往要進行繁冗的數(shù)學推導。同時，對于電源電路的穩(wěn)定性進行分析的文獻雖然較多，但沒有見到求解最佳補償電容的關系式和穩(wěn)定性的測試方法。對電源的線性度和誤差等指標估算在電源設計階段也大都較少提及。目前研究中的諸多不足都給壓電動態(tài)驅動電源的設計帶來了不便。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，計算機輔助分析與仿真技術解決了在實驗室里幾乎無法完成的問題，為動態(tài)電源電路功能的分析與驗證開辟了一條快捷、高效的新徑。Multisim10是美國NI公司新近推出的電路分析和設計工具，此軟件界面友好，分析功能強大，操作簡單，使用方便，非常適用于對各種電路進行仿真分析和設計。在上述研究背景下，本文設計了一種高精度動態(tài)壓電陶瓷驅動電源，并利用Multisim10仿真軟件對所設計的電源動態(tài)性能、精度和穩(wěn)定性進行了仿真研究。2集成負反饋放大電路，發(fā)揮主、導和保護作用高精度動態(tài)驅動電源的核心放大電路采用雙級放大結構，如圖1所示。設置前置低壓誤差放大器OP07(U3)的目的是獲得較小輸入偏置電壓與較高帶寬；后置高壓功率放大器PA85(U2)的目的是為了獲得大輸出功率及高耐壓特性。兩個放大環(huán)節(jié)串聯(lián)組成復合式負反饋放大電路，輸出電阻非常小，因此具有較強的帶負載能力。D3、D5和D4、D7是快速恢復二極管，將運放輸入端限制在0.7V，對運放起保護作用。R2、R3和R5、R6是反饋電阻，分別決定功率放大部分和高壓運放的放大倍數(shù)。R4是的限流電阻，使PA85工作在安全工作區(qū)，R1和C6構成補償電路，容性負載等效為0.1μF的電容C10。PA85是APEX公司生產的一種高壓、大帶寬的MOSFET運算放大器，輸出電流達到200mA，具有很高的電源電壓抑制比。而且，PA85運算放大器集運算放大電路，功率放大電路，保護電路于一體，使電路集成度大大提高，減小了體積，提高了電路的可靠性。OP07為高精度運算放大器，具有極低的輸入失調電壓（30μV）、失調電流和溫漂。反饋電阻為低溫漂的高精密電阻，使電路放大倍數(shù)準確且變化較小。3驅動電源性能分析壓電陶瓷執(zhí)行器自身響應頻率很高，故驅動電源的輸出頻率和響應時間決定著壓電陶瓷執(zhí)行器的響應速度。對于容性負載，驅動電源的輸出電流、電壓和頻率存在著確定的關系。對于外加電壓而言，壓電陶瓷相當于容性負載，它與驅動電路的輸出電阻R構成RC回路，負載阻抗XC為式(1)中fsin-max為輸入正弦波的最大頻率，VP-P為輸出電壓的峰峰值，由式(1)和(2)可得式(3)中IP為輸出峰值電流。對于PA85，通過外加的限流電阻實現(xiàn)電流限制，在本設計中限流電阻R4=4.64Ω，將最大電流限制在150mA內。當驅動等效電容為0.1μF的負載，且VP-P為360V時，由式(3)可得輸入正弦波的最大頻率為fsin-max≈1.327KHz。為了測試驅動電源的性能，在Multisim10中對系統(tǒng)進行了仿真分析。在輸入端接入正弦交流電源，電壓有效值設為7.07V，頻率設為1.24KHz；對V(INPUT)（輸入端）和V(12)（輸出端）進行瞬態(tài)分析，Endtime設置為0.004s，運行TransientAnalysis下的Simulate，得到圖2所示的輸入輸出曲線。利用Grapherview中的Show/HideCursors得到輸入輸出的峰值，求得電壓放大倍數(shù)A=-17.997，這與理論值-R2/R3=-18相符。由圖2可以看出，波形沒有任何的畸變，輸出波形反映了驅動電源良好的動態(tài)性能。因此，在容性負載固定的情況下，驅動電源的頻率響應與輸出電壓和輸出電流有關,如果想得到更高的頻率響應可采取提高輸出電流和降低輸出電壓范圍的方法獲得。而隨著容性負載變大，頻率響應也將減小。4補償電壓的設置一般而言，電路中的集成運放輸出失調電壓將對電源系統(tǒng)的性能產生很大的影響。輸出失調電壓發(fā)生的原因是運算放大器內部元件，尤其是輸入級兩個晶體管特性不均衡引起的。為了達到高精度的目的，需要在輸入端加補償電壓，降低輸入失調電壓的方法有以下幾種：(1）加上與輸入失調電壓極性相反的直流電壓而抵消失調電壓。(2）使用帶輸入失調電壓調整端的運算放大器IC進行調零。(3）根據(jù)所要求的特性，選用具有可忽略輸入失調電壓性能的高精度運算放大器IC。由于PA85的輸入失調電壓高達2mV，因此本設計采用OP07作為前級放大器來控制精度和溫漂，將輸入失調電壓降到了75μV以下。4.1輸出端直流掃描分析輸出電壓線性度反映電源的精度指標，是指電源的實際輸出特性與理想直線之間的最大誤差。在INPUT端接入直流電源DC＿POWER，對輸出端進行直流掃描分析，Source設為vv1,StartValue設為-10V,Stopvalue設為+10V，掃描步進Increment設為0.05V，運行DcSweepAnalysis下的Simulate，得出圖3所示曲線，X軸表示輸入電壓INPUT,Y軸表示輸出電壓，可見電源的線性度在-180～180V以內較好。4.2接入op06前后的電源誤差在直流掃描分析的OUTPUT中輸入V(input)*18+V(12)，運行DcSweepAnalysis下的Simulate，得到圖4所示曲線，a)、b)分別為接入OP07前后驅動電源的誤差曲線。其中X軸表示輸入電壓，Y軸表示輸出電壓與理論值之間的誤差。由圖4可以看出，高精度運放OP07的接入大大減小了驅動電源的誤差。如b)中所示誤差隨著電壓的增大逐漸減小，利用Grapherview中的Show/HideCursors得到最大誤差為1mV，由此得出電源最大非線性約為0.0003%。因此，所設計電源的精度非常高，幾乎不存在誤差。4.3v交流電壓波動壓電陶瓷驅動電源輸出的紋波電壓對壓電陶瓷驅動器的精度有很大的影響。在INPUT（輸入）端接入直流電源DC＿POWER，在輸出端連接示波器，分別輸入0V，±5V，±10V，在示波器上觀察輸出端的交流電壓可以看到交流紋波在±400pV間波動?？梢娝O計的驅動電源輸出電壓的靜態(tài)交流紋波非常小。5脈沖信號響應曲線當集成運放的應用電路開環(huán)增益為一定值時，由于相移過大，電路會產生高端提升及振蕩現(xiàn)象。為了克服這些現(xiàn)象，需要修訂集成運放的開環(huán)增益曲線，進行相位補償。本文針對輸入端的寄生電容和容性負載引起的相位滯后，采用在反饋電阻兩端接入補償電容的方法進行相位補償，來消除電路工作的不穩(wěn)定。圖1中C8和C9為補償電容，通過運算放大電路的理論估算出其大致范圍，然后改變電容量，觀察輸出波形進行確定。具體方法如下：在輸入端接入脈沖信號PULSE＿VOLTAGE,InitialValue設為-0.056V,PulsedValue設為0.056V,PulsedWidth設為0.5mS,Period設為1mS。對V(12)（輸出端）進行瞬態(tài)分析，Endtime設置為0.004s，運行TransientAnalysis下的Simulate，得到圖5。其中，（a）、（b）分別為反饋電容（18pF）接入前后電源的輸出電壓曲線?？梢钥闯?，接入反饋電容后，電路的脈沖信號響應曲線接近理想?？梢姡疚牟捎玫南辔谎a償方法有效的消除了電路中出現(xiàn)的自激現(xiàn)象，而壓電驅動電源對脈沖信號的響應曲線也較好的反映了相位補償?shù)男Ч?掃描參數(shù)設計采用PA85和OP07組成復合式負反饋放大電路設計了一種高精度動態(tài)壓電陶瓷驅動電源，其具有良好的動態(tài)性能（輸出正弦波f=1.24KHz,VP-P=360V，負載0.1μF）和線性度，以及輸出電壓紋波小等優(yōu)點，滿足了高精度、高頻響的要求。對壓電陶瓷驅動電源的頻率響應、輸出電壓以及輸出電流之間的關系進行了詳細分析,通過仿真驗證了輸入失調電壓對電源精度的影響，進行了有效的相位補償和仿真分析。這為壓電驅動電源在實際設計時元件的選擇和參數(shù)的確定提供了較大的指導意義。計算機仿真設計具有縮短驅動電源設計周期、節(jié)省設計費用、提高設計質量等優(yōu)點。本文利用Multisim10仿真軟件對驅動電源進行參數(shù)估算和性能分析的方法，可以為相關動態(tài)電源的設計提供一定的參考。文章創(chuàng)新點：1