非对称式压电陶瓷致动器电源设计

黄世玲+梁承权+张颖+朱薇茜

摘 要：研究了一种压电陶瓷致动器电源的设计，并应用于数字共焦显微仪系统。采用普通的OP07运算放大器与高压互补推免三极管的电路设计模式。采用非对称式的直流电源供电方式设计，在降低了电路设计复杂性的同时也提高了电源的利用率。通过对实验电路进行测试证明，该非对称式电源效率为60%以上，同时具有输出电压纹波小，精度高以及响应速度快等特点。

关键词：压电陶瓷；致动电源；数字共焦；低纹波

中图分类号：TN79+2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0023-02

引言

随着科技的发展，人们对微位移控制的要求越来越高，而压电陶瓷是纳米位移控制领域中的重要器件[1]。目前，国内外对压电陶瓷驱动器电源的研究已经取得了一定的研究成果，并形成了比较成熟的产品；但由于技术的保密，压电陶瓷驱动器的相关产品价格依然居高不下[2]。目前的压电陶瓷致动器电源研究中大多采用专用的高压运算放大器芯片方案，例如PA系列的高压功率运算放大器芯片。但由于该高压功率运算放大器成本较贵，而且功耗较大，不适合本课题使用。本文研究的压电陶瓷致动器电源应用于数字共焦显微仪系统中。采用压电陶瓷制作的压电陶瓷物镜致动器可以采集等间距的细胞样本序列切片图像，由计算机系统完成三维重构[3]。因此，本文研究的压电陶瓷致动器电源设计对发展我们高清光学显微领域有着重要的意义。

1 电源的设计指标

本文设计的电源驱动对象为已经装载有显微物镜的压电陶瓷致动器，型号为XP-721.SL压电陶瓷物镜致动器，该产口由用芯明天科技公司生产。通过对该压电陶瓷物镜致动器产品手册研究可以，当其控制输入电压从0到150V变化时，对应控制行程输出范围为0到100um。等效静电容量C=3.6uF，最大开环额定功率为P=5W。

根据容性负载在动态应用中的计算如式（1）所示，而流过容性负载的峰值电流计算公如式（2）所示[4]。

分别将压电陶瓷致动器的额定功率P=5W，等效电容量C=3.6uF，峰峰值UPP=150V，代入式（1）和式（2）可得输出（吸收）的峰值电流IMAX≈105mA。

考虑本课程应用于数字共焦显微仪采集细胞切片图像的最小间距为50nm，可知本电源的最小步进电压为75mV，因此，本电源对纹波的要求应小于36mV。综上分析，本文设计的电源指标为：输出电源电压范围0～+150V，最大输出峰值电源100mA，纹波小于36mV。

2 非对称式驱动电源设计

2.1 电源电路原理分析

本文设计的高压直流功率放大器如图1所示，该电路由前置误差放大器与三级管电路组成。电压放大倍数为AV1的计算公式如式（3）所示；Rf等于R12、R13、R14相加，Ri等于R11。R12、R13、R14串联分担功率消耗。

AV1=1+Rf/Ri （3）

OP07运放作为误差放大器，最大75uV的零点漂移输出；DAC输出电压为0～4.095V，对应的输出电压为0～150V，则AV1约为36.63倍，最大输出零点漂移约为2.8mV。Q1、Q2为三极管互补对称放大电路，同时由Q1、Q2分别组成的电流源电路互为三极管共射放大电路的集电极输出电阻。后级功率输出由Q4、Q5互补推挽电路组成。在输出端加入了Q8、Q9小功率三极管过流保护，当输出（吸收）电流大于100mA时，电阻R7（R8）上压降将使Q8（Q9）导通，限制输出的电流。采用非对称供电方式，应注意电阻R1、R2、R3、R4的选择，使OP07的输出端电位为0V附近；同时应根据Q4、Q5的输出电流大小决定Q1、Q2电流源的电流输出；通过选择电阻R5、R6的阻值来控制电流源的电流。

2.2 电源效率计算

本设计电源在动态工作时的电源效率计算如式（4）：

（4）

设PO为输出功率，PV为电源输入功率，VO为电源最大输出电压峰峰值150V，VCC为正负电源电压和。当采用对称电源供电时VCC为310V，代入式（4）计算电源效率约为38%；当采用非对称电源供电时VCC为170V，可由式（4）计算出本文设计的电源效率约为69%。

3 电源性能测试与分析

对图1电路进行PCB设计，最后完成硬件电源实物制作；接上本课题的XP-721.SL压电陶瓷物镜致动器对电源进行测试，记录相關测试数据并采用MATLAB软件进行分析。

3.1 电源输出峰值电流测试

采用正弦波对本电源进行输入激励，可得输出波形如图2所示，可知为本文设计的电源能输出150VPP的峰峰值电压，周期为16MS，频率为62.5HZ，并且输出正弦波波形没有失真。将频率、幅度代入公式（1）、（2）可得本设计电源的输出功率为5.02W，输出电流为105mA。因此，经过测试可知本设计电源输出电压、电流以及功率指标能满足设计指标要求。

3.2 纹波测试

本文对所设计电源输出为0-150V电压进行等间隔的16个点的电压值纹波测试，采用示波器观察纹波的峰值大小，记录相应数据，采用EXCEL生成纹波分布图如图3所示。由图3可知，电源最大纹波峰值不超过15mV，电源纹波小，控制精度高。

4 结束语

采用OP07运算放大器与三极管设计了一种采用非对称电源供电的压电陶瓷致动器电源的方案。经过对电源硬件的测试分析，该电源输出电压、电流、功率以及纹波大小均满足本课题设计指标要求。该电源采用非对称式电源供电方式，能有效减小电源功耗，提高电源效率的同时减小了电源的发热量，因此正常情况下不需要对电源安装散热装置，从而能减小电源的体积，降低开发成本。

参考文献：

[1]杨雪锋，李威，王禹桥.压电陶瓷驱动电源的研究现状及进展[J].仪表技术及传感器，2008，11：109-112.

[2]林广升.数字共焦显微技术压电物镜控制器设计[D].广西大学，2015.

[3]聂雄，陈华.数字共焦显微仪序列光学切片自动采集方法研究[J].仪器仪表学报，2010，31（9）：2148-2152.

[4]林广升，陈华.基于LTC6090的格式压电物镜驱动器驱动电源设计[J].广西大学学报，2015，40（3）：744-749.endprint