非對稱式壓電陶瓷致動器電源設計

黃世玲+梁承權+張穎+朱薇茜

摘 要：研究了一種壓電陶瓷致動器電源的設計，并應用于數字共焦顯微儀系統。采用普通的OP07運算放大器與高壓互補推免三極管的電路設計模式。采用非對稱式的直流電源供電方式設計，在降低了電路設計復雜性的同時也提高了電源的利用率。通過對實驗電路進行測試證明，該非對稱式電源效率為60%以上，同時具有輸出電壓紋波小，精度高以及響應速度快等特點。

關鍵詞：壓電陶瓷；致動電源；數字共焦；低紋波

中圖分類號：TN79+2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0023-02

引言

隨著科技的發展，人們對微位移控制的要求越來越高，而壓電陶瓷是納米位移控制領域中的重要器件[1]。目前，國內外對壓電陶瓷驅動器電源的研究已經取得了一定的研究成果，并形成了比較成熟的產品；但由于技術的保密，壓電陶瓷驅動器的相關產品價格依然居高不下[2]。目前的壓電陶瓷致動器電源研究中大多采用專用的高壓運算放大器芯片方案，例如PA系列的高壓功率運算放大器芯片。但由于該高壓功率運算放大器成本較貴，而且功耗較大，不適合本課題使用。本文研究的壓電陶瓷致動器電源應用于數字共焦顯微儀系統中。采用壓電陶瓷制作的壓電陶瓷物鏡致動器可以采集等間距的細胞樣本序列切片圖像，由計算機系統完成三維重構[3]。因此，本文研究的壓電陶瓷致動器電源設計對發展我們高清光學顯微領域有著重要的意義。

1 電源的設計指標

本文設計的電源驅動對象為已經裝載有顯微物鏡的壓電陶瓷致動器，型號為XP-721.SL壓電陶瓷物鏡致動器，該產口由用芯明天科技公司生產。通過對該壓電陶瓷物鏡致動器產品手冊研究可以，當其控制輸入電壓從0到150V變化時，對應控制行程輸出范圍為0到100um。等效靜電容量C=3.6uF，最大開環額定功率為P=5W。

根據容性負載在動態應用中的計算如式（1）所示，而流過容性負載的峰值電流計算公如式（2）所示[4]。

分別將壓電陶瓷致動器的額定功率P=5W，等效電容量C=3.6uF，峰峰值UPP=150V，代入式（1）和式（2）可得輸出（吸收）的峰值電流IMAX≈105mA。

考慮本課程應用于數字共焦顯微儀采集細胞切片圖像的最小間距為50nm，可知本電源的最小步進電壓為75mV，因此，本電源對紋波的要求應小于36mV。綜上分析，本文設計的電源指標為：輸出電源電壓范圍0～+150V，最大輸出峰值電源100mA，紋波小于36mV。

2 非對稱式驅動電源設計

2.1 電源電路原理分析

本文設計的高壓直流功率放大器如圖1所示，該電路由前置誤差放大器與三級管電路組成。電壓放大倍數為AV1的計算公式如式（3）所示；Rf等于R12、R13、R14相加，Ri等于R11。R12、R13、R14串聯分擔功率消耗。

AV1=1+Rf/Ri （3）

OP07運放作為誤差放大器，最大75uV的零點漂移輸出；DAC輸出電壓為0～4.095V，對應的輸出電壓為0～150V，則AV1約為36.63倍，最大輸出零點漂移約為2.8mV。Q1、Q2為三極管互補對稱放大電路，同時由Q1、Q2分別組成的電流源電路互為三極管共射放大電路的集電極輸出電阻。后級功率輸出由Q4、Q5互補推挽電路組成。在輸出端加入了Q8、Q9小功率三極管過流保護，當輸出（吸收）電流大于100mA時，電阻R7（R8）上壓降將使Q8（Q9）導通，限制輸出的電流。采用非對稱供電方式，應注意電阻R1、R2、R3、R4的選擇，使OP07的輸出端電位為0V附近；同時應根據Q4、Q5的輸出電流大小決定Q1、Q2電流源的電流輸出；通過選擇電阻R5、R6的阻值來控制電流源的電流。

2.2 電源效率計算

本設計電源在動態工作時的電源效率計算如式（4）：

（4）

設PO為輸出功率，PV為電源輸入功率，VO為電源最大輸出電壓峰峰值150V，VCC為正負電源電壓和。當采用對稱電源供電時VCC為310V，代入式（4）計算電源效率約為38%；當采用非對稱電源供電時VCC為170V，可由式（4）計算出本文設計的電源效率約為69%。

3 電源性能測試與分析

對圖1電路進行PCB設計，最后完成硬件電源實物制作；接上本課題的XP-721.SL壓電陶瓷物鏡致動器對電源進行測試，記錄相關測試數據并采用MATLAB軟件進行分析。

3.1 電源輸出峰值電流測試

采用正弦波對本電源進行輸入激勵，可得輸出波形如圖2所示，可知為本文設計的電源能輸出150VPP的峰峰值電壓，周期為16MS，頻率為62.5HZ，并且輸出正弦波波形沒有失真。將頻率、幅度代入公式（1）、（2）可得本設計電源的輸出功率為5.02W，輸出電流為105mA。因此，經過測試可知本設計電源輸出電壓、電流以及功率指標能滿足設計指標要求。

3.2 紋波測試

本文對所設計電源輸出為0-150V電壓進行等間隔的16個點的電壓值紋波測試，采用示波器觀察紋波的峰值大小，記錄相應數據，采用EXCEL生成紋波分布圖如圖3所示。由圖3可知，電源最大紋波峰值不超過15mV，電源紋波小，控制精度高。

4 結束語

采用OP07運算放大器與三極管設計了一種采用非對稱電源供電的壓電陶瓷致動器電源的方案。經過對電源硬件的測試分析，該電源輸出電壓、電流、功率以及紋波大小均滿足本課題設計指標要求。該電源采用非對稱式電源供電方式，能有效減小電源功耗，提高電源效率的同時減小了電源的發熱量，因此正常情況下不需要對電源安裝散熱裝置，從而能減小電源的體積，降低開發成本。

參考文獻：

[1]楊雪鋒，李威，王禹橋.壓電陶瓷驅動電源的研究現狀及進展[J].儀表技術及傳感器，2008，11：109-112.

[2]林廣升.數字共焦顯微技術壓電物鏡控制器設計[D].廣西大學，2015.

[3]聶雄，陳華.數字共焦顯微儀序列光學切片自動采集方法研究[J].儀器儀表學報，2010，31（9）：2148-2152.

[4]林廣升，陳華.基于LTC6090的格式壓電物鏡驅動器驅動電源設計[J].廣西大學學報，2015，40（3）：744-749.endprint