基于復(fù)合式電路的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

基于復(fù)合式電路的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

1動(dòng)態(tài)電源的設(shè)計(jì)與分析近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓瓷執(zhí)行器的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)其激勵(lì)電源的要求也越來越嚴(yán)格。例如，精度、頻帶寬度、抗自激能力等。因此，設(shè)計(jì)出性能良好的高精度動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電源理論抽象，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)分析的過程中往往要進(jìn)行繁冗的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。同時(shí)，對(duì)于電源電路的穩(wěn)定性進(jìn)行分析的文獻(xiàn)雖然較多，但沒有見到求解最佳補(bǔ)償電容的關(guān)系式和穩(wěn)定性的測(cè)試方法。對(duì)電源的線性度和誤差等指標(biāo)估算在電源設(shè)計(jì)階段也大都較少提及。目前研究中的諸多不足都給壓電動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)帶來了不便。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助分析與仿真技術(shù)解決了在實(shí)驗(yàn)室里幾乎無法完成的問題，為動(dòng)態(tài)電源電路功能的分析與驗(yàn)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(shè)計(jì)工具，此軟件界面友好，分析功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，使用方便，非常適用于對(duì)各種電路進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)。在上述研究背景下，本文設(shè)計(jì)了一種高精度動(dòng)態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，并利用Multisim10仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電源動(dòng)態(tài)性能、精度和穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真研究。2集成負(fù)反饋放大電路，發(fā)揮主、導(dǎo)和保護(hù)作用高精度動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電源的核心放大電路采用雙級(jí)放大結(jié)構(gòu)，如圖1所示。設(shè)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(gè)放大環(huán)節(jié)串聯(lián)組成復(fù)合式負(fù)反饋放大電路，輸出電阻非常小，因此具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。D3、D5和D4、D7是快速恢復(fù)二極管，將運(yùn)放輸入端限制在0.7V，對(duì)運(yùn)放起保護(hù)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(yùn)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(gòu)成補(bǔ)償電路，容性負(fù)載等效為0.1μF的電容C10。PA85是APEX公司生產(chǎn)的一種高壓、大帶寬的MOSFET運(yùn)算放大器，輸出電流達(dá)到200mA，具有很高的電源電壓抑制比。而且，PA85運(yùn)算放大器集運(yùn)算放大電路，功率放大電路，保護(hù)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(yùn)算放大器，具有極低的輸入失調(diào)電壓（30μV）、失調(diào)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(zhǔn)確且變化較小。3驅(qū)動(dòng)電源性能分析壓電陶瓷執(zhí)行器自身響應(yīng)頻率很高，故驅(qū)動(dòng)電源的輸出頻率和響應(yīng)時(shí)間決定著壓電陶瓷執(zhí)行器的響應(yīng)速度。對(duì)于容性負(fù)載，驅(qū)動(dòng)電源的輸出電流、電壓和頻率存在著確定的關(guān)系。對(duì)于外加電壓而言，壓電陶瓷相當(dāng)于容性負(fù)載，它與驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻R構(gòu)成RC回路，負(fù)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(duì)于PA85，通過外加的限流電阻實(shí)現(xiàn)電流限制，在本設(shè)計(jì)中限流電阻R4=4.64Ω，將最大電流限制在150mA內(nèi)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)等效電容為0.1μF的負(fù)載，且VP-P為360V時(shí)，由式(3)可得輸入正弦波的最大頻率為fsin-max≈1.327KHz。為了測(cè)試驅(qū)動(dòng)電源的性能，在Multisim10中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。在輸入端接入正弦交流電源，電壓有效值設(shè)為7.07V，頻率設(shè)為1.24KHz；對(duì)V(INPUT)（輸入端）和V(12)（輸出端）進(jìn)行瞬態(tài)分析，Endtime設(shè)置為0.004s，運(yùn)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(qū)動(dòng)電源良好的動(dòng)態(tài)性能。因此，在容性負(fù)載固定的情況下，驅(qū)動(dòng)電源的頻率響應(yīng)與輸出電壓和輸出電流有關(guān),如果想得到更高的頻率響應(yīng)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(fù)載變大，頻率響應(yīng)也將減小。4補(bǔ)償電壓的設(shè)置一般而言，電路中的集成運(yùn)放輸出失調(diào)電壓將對(duì)電源系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大的影響。輸出失調(diào)電壓發(fā)生的原因是運(yùn)算放大器內(nèi)部元件，尤其是輸入級(jí)兩個(gè)晶體管特性不均衡引起的。為了達(dá)到高精度的目的，需要在輸入端加補(bǔ)償電壓，降低輸入失調(diào)電壓的方法有以下幾種：(1）加上與輸入失調(diào)電壓極性相反的直流電壓而抵消失調(diào)電壓。(2）使用帶輸入失調(diào)電壓調(diào)整端的運(yùn)算放大器IC進(jìn)行調(diào)零。(3）根據(jù)所要求的特性，選用具有可忽略輸入失調(diào)電壓性能的高精度運(yùn)算放大器IC。由于PA85的輸入失調(diào)電壓高達(dá)2mV，因此本設(shè)計(jì)采用OP07作為前級(jí)放大器來控制精度和溫漂，將輸入失調(diào)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(biāo)，是指電源的實(shí)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(duì)輸出端進(jìn)行直流掃描分析，Source設(shè)為vv1,StartValue設(shè)為-10V,Stopvalue設(shè)為+10V，掃描步進(jìn)Increment設(shè)為0.05V，運(yùn)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(nèi)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(yùn)行DcSweepAnalysis下的Simulate，得到圖4所示曲線，a)、b)分別為接入OP07前后驅(qū)動(dòng)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(yùn)放OP07的接入大大減小了驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)電源的精度非常高，幾乎不存在誤差。4.3v交流電壓波動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源輸出的紋波電壓對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(dòng)?？梢娝O(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓的靜態(tài)交流紋波非常小。5脈沖信號(hào)響應(yīng)曲線當(dāng)集成運(yùn)放的應(yīng)用電路開環(huán)增益為一定值時(shí)，由于相移過大，電路會(huì)產(chǎn)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(yùn)放的開環(huán)增益曲線，進(jìn)行相位補(bǔ)償。本文針對(duì)輸入端的寄生電容和容性負(fù)載引起的相位滯后，采用在反饋電阻兩端接入補(bǔ)償電容的方法進(jìn)行相位補(bǔ)償，來消除電路工作的不穩(wěn)定。圖1中C8和C9為補(bǔ)償電容，通過運(yùn)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(jìn)行確定。具體方法如下：在輸入端接入脈沖信號(hào)PULSE＿VOLTAGE,InitialValue設(shè)為-0.056V,PulsedValue設(shè)為0.056V,PulsedWidth設(shè)為0.5mS,Period設(shè)為1mS。對(duì)V(12)（輸出端）進(jìn)行瞬態(tài)分析，Endtime設(shè)置為0.004s，運(yùn)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?？梢钥闯觯尤敕答侂娙莺?，電路的脈沖信號(hào)響應(yīng)曲線接近理想?？梢?，本文采用的相位補(bǔ)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(qū)動(dòng)電源對(duì)脈沖信號(hào)的響應(yīng)曲線也較好的反映了相位補(bǔ)償?shù)男Ч?掃描參數(shù)設(shè)計(jì)采用PA85和OP07組成復(fù)合式負(fù)反饋放大電路設(shè)計(jì)了一種高精度動(dòng)態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，其具有良好的動(dòng)態(tài)性能（輸出正弦波f=1.24KHz,VP-P=360V，負(fù)載0.1μF）和線性度，以及輸出電壓紋波小等優(yōu)點(diǎn)，滿足了高精度、高頻響的要求。對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的頻率響應(yīng)、輸出電壓以及輸出電流之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析,通過仿真驗(yàn)證了輸入失調(diào)電壓對(duì)電源精度的影響，進(jìn)行了有效的相位補(bǔ)償和仿真分析。這為壓電驅(qū)動(dòng)電源在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)元件的選擇和參數(shù)的確定提供了較大的指導(dǎo)意義。計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)具有縮短驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)周期、節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。本文利用Multisim10仿真軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行參數(shù)估算和性能分析的方法，可以為相關(guān)動(dòng)態(tài)電源的設(shè)計(jì)提供一定的參考。文章創(chuàng)新點(diǎn)：1