基于复合式电路的压电陶瓷驱动电源设计

基于复合式电路的压电陶瓷驱动电源设计

1动态电源的设计与分析近年来，随着科学技术的发展，压瓷执行器的应用越来越广泛，对其激励电源的要求也越来越严格。例如，精度、频带宽度、抗自激能力等。因此，设计出性能良好的高精度动态驱动电源，已成为压电陶瓷执行器发展过程中面临的重要问题之一。由于驱动电源理论抽象，电路结构复杂，在设计分析的过程中往往要进行繁冗的数学推导。同时，对于电源电路的稳定性进行分析的文献虽然较多，但没有见到求解最佳补偿电容的关系式和稳定性的测试方法。对电源的线性度和误差等指标估算在电源设计阶段也大都较少提及。目前研究中的诸多不足都给压电动态驱动电源的设计带来了不便。随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助分析与仿真技术解决了在实验室里几乎无法完成的问题，为动态电源电路功能的分析与验证开辟了一条快捷、高效的新径。Multisim10是美国NI公司新近推出的电路分析和设计工具，此软件界面友好，分析功能强大，操作简单，使用方便，非常适用于对各种电路进行仿真分析和设计。在上述研究背景下，本文设计了一种高精度动态压电陶瓷驱动电源，并利用Multisim10仿真软件对所设计的电源动态性能、精度和稳定性进行了仿真研究。2集成负反馈放大电路，发挥主、导和保护作用高精度动态驱动电源的核心放大电路采用双级放大结构，如图1所示。设置前置低压误差放大器OP07(U3)的目的是获得较小输入偏置电压与较高带宽；后置高压功率放大器PA85(U2)的目的是为了获得大输出功率及高耐压特性。两个放大环节串联组成复合式负反馈放大电路，输出电阻非常小，因此具有较强的带负载能力。D3、D5和D4、D7是快速恢复二极管，将运放输入端限制在0.7V，对运放起保护作用。R2、R3和R5、R6是反馈电阻，分别决定功率放大部分和高压运放的放大倍数。R4是的限流电阻，使PA85工作在安全工作区，R1和C6构成补偿电路，容性负载等效为0.1µF的电容C10。PA85是APEX公司生产的一种高压、大带宽的MOSFET运算放大器，输出电流达到200mA，具有很高的电源电压抑制比。而且，PA85运算放大器集运算放大电路，功率放大电路，保护电路于一体，使电路集成度大大提高，减小了体积，提高了电路的可靠性。OP07为高精度运算放大器，具有极低的输入失调电压（30µV）、失调电流和温漂。反馈电阻为低温漂的高精密电阻，使电路放大倍数准确且变化较小。3驱动电源性能分析压电陶瓷执行器自身响应频率很高，故驱动电源的输出频率和响应时间决定着压电陶瓷执行器的响应速度。对于容性负载，驱动电源的输出电流、电压和频率存在着确定的关系。对于外加电压而言，压电陶瓷相当于容性负载，它与驱动电路的输出电阻R构成RC回路，负载阻抗XC为式(1)中fsin-max为输入正弦波的最大频率，VP-P为输出电压的峰峰值，由式(1)和(2)可得式(3)中IP为输出峰值电流。对于PA85，通过外加的限流电阻实现电流限制，在本设计中限流电阻R4=4.64Ω，将最大电流限制在150mA内。当驱动等效电容为0.1µF的负载，且VP-P为360V时，由式(3)可得输入正弦波的最大频率为fsin-max≈1.327KHz。为了测试驱动电源的性能，在Multisim10中对系统进行了仿真分析。在输入端接入正弦交流电源，电压有效值设为7.07V，频率设为1.24KHz；对V(INPUT)（输入端）和V(12)（输出端）进行瞬态分析，Endtime设置为0.004s，运行TransientAnalysis下的Simulate，得到图2所示的输入输出曲线。利用Grapherview中的Show/HideCursors得到输入输出的峰值，求得电压放大倍数A=-17.997，这与理论值-R2/R3=-18相符。由图2可以看出，波形没有任何的畸变，输出波形反映了驱动电源良好的动态性能。因此，在容性负载固定的情况下，驱动电源的频率响应与输出电压和输出电流有关,如果想得到更高的频率响应可采取提高输出电流和降低输出电压范围的方法获得。而随着容性负载变大，频率响应也将减小。4补偿电压的设置一般而言，电路中的集成运放输出失调电压将对电源系统的性能产生很大的影响。输出失调电压发生的原因是运算放大器内部元件，尤其是输入级两个晶体管特性不均衡引起的。为了达到高精度的目的，需要在输入端加补偿电压，降低输入失调电压的方法有以下几种：(1）加上与输入失调电压极性相反的直流电压而抵消失调电压。(2）使用带输入失调电压调整端的运算放大器IC进行调零。(3）根据所要求的特性，选用具有可忽略输入失调电压性能的高精度运算放大器IC。由于PA85的输入失调电压高达2mV，因此本设计采用OP07作为前级放大器来控制精度和温漂，将输入失调电压降到了75µV以下。4.1输出端直流扫描分析输出电压线性度反映电源的精度指标，是指电源的实际输出特性与理想直线之间的最大误差。在INPUT端接入直流电源DC＿POWER，对输出端进行直流扫描分析，Source设为vv1,StartValue设为-10V,Stopvalue设为+10V，扫描步进Increment设为0.05V，运行DcSweepAnalysis下的Simulate，得出图3所示曲线，X轴表示输入电压INPUT,Y轴表示输出电压，可见电源的线性度在-180～180V以内较好。4.2接入op06前后的电源误差在直流扫描分析的OUTPUT中输入V(input)*18+V(12)，运行DcSweepAnalysis下的Simulate，得到图4所示曲线，a)、b)分别为接入OP07前后驱动电源的误差曲线。其中X轴表示输入电压，Y轴表示输出电压与理论值之间的误差。由图4可以看出，高精度运放OP07的接入大大减小了驱动电源的误差。如b)中所示误差随着电压的增大逐渐减小，利用Grapherview中的Show/HideCursors得到最大误差为1mV，由此得出电源最大非线性约为0.0003%。因此，所设计电源的精度非常高，几乎不存在误差。4.3v交流电压波动压电陶瓷驱动电源输出的纹波电压对压电陶瓷驱动器的精度有很大的影响。在INPUT（输入）端接入直流电源DC＿POWER，在输出端连接示波器，分别输入0V，±5V，±10V，在示波器上观察输出端的交流电压可以看到交流纹波在±400pV间波动。可见所设计的驱动电源输出电压的静态交流纹波非常小。5脉冲信号响应曲线当集成运放的应用电路开环增益为一定值时，由于相移过大，电路会产生高端提升及振荡现象。为了克服这些现象，需要修订集成运放的开环增益曲线，进行相位补偿。本文针对输入端的寄生电容和容性负载引起的相位滞后，采用在反馈电阻两端接入补偿电容的方法进行相位补偿，来消除电路工作的不稳定。图1中C8和C9为补偿电容，通过运算放大电路的理论估算出其大致范围，然后改变电容量，观察输出波形进行确定。具体方法如下：在输入端接入脉冲信号PULSE＿VOLTAGE,InitialValue设为-0.056V,PulsedValue设为0.056V,PulsedWidth设为0.5mS,Period设为1mS。对V(12)（输出端）进行瞬态分析，Endtime设置为0.004s，运行TransientAnalysis下的Simulate，得到图5。其中，（a）、（b）分别为反馈电容（18pF）接入前后电源的输出电压曲线。可以看出，接入反馈电容后，电路的脉冲信号响应曲线接近理想。可见，本文采用的相位补偿方法有效的消除了电路中出现的自激现象，而压电驱动电源对脉冲信号的响应曲线也较好的反映了相位补偿的效果。6扫描参数设计采用PA85和OP07组成复合式负反馈放大电路设计了一种高精度动态压电陶瓷驱动电源，其具有良好的动态性能（输出正弦波f=1.24KHz,VP-P=360V，负载0.1μF）和线性度，以及输出电压纹波小等优点，满足了高精度、高频响的要求。对压电陶瓷驱动电源的频率响应、输出电压以及输出电流之间的关系进行了详细分析,通过仿真验证了输入失调电压对电源精度的影响，进行了有效的相位补偿和仿真分析。这为压电驱动电源在实际设计时元件的选择和参数的确定提供了较大的指导意义。计算机仿真设计具有缩短驱动电源设计周期、节省设计费用、提高设计质量等优点。本文利用Multisim10仿真软件对驱动电源进行参数估算和性能分析的方法，可以为相关动态电源的设计提供一定的参考。文章创新点：1