摘 要： 针对当前使用的压电陶瓷驱动电源大多存在的使用效率低、体积大等问题，提出了一种使用效率高、动态性能好的新型PWM压电陶瓷驱动电源。设计以MSK4223开关型运算放大器为核心，采用双路输出电压积分反馈的方法，提高了压电陶瓷微定位的精度，使用效率达到了80%以上，有效输出带宽可以达到2 kHz，动态性能良好，发热量小，集成度也得到了明显提高。最后对电压反馈式开关型压电陶瓷驱动电源进行了性能测试，从而验证了在动态性能要求较高的环境下应用的可行性。
关键词： PWM；动态性能；电压反馈；有效带宽；效率
随着科学技术的发展和研究领域的不断扩展，人们研究的操作对象从宏观领域逐步深入到了微观领域，并且许多领域越来越需要高速动态纳米定位系统，如微纳制造、微电子制造、汽车工业、生命科学、超精密加工与测量和纳米精密定位的光刻技术等。压电陶瓷是一种微驱动材料，具有体积小、位移分辨率高、频响高、无噪声、不发热、输出有效频带宽、使用寿命长、位移精度非常高、驱动能力可达几十牛到几百牛[1-2]等特点，使得压电陶瓷在动态定位领域的应用越来越广泛。压电陶瓷的动态性能在很大程度上依赖于驱动器的性能，例如驱动电源的稳定性、带负载能力、使用效率、输出有效带宽以及输出纹波等。因此，驱动电源的性能决定着纳米定位系统的性能[3]。压电陶瓷的驱动方式主要有电压驱动型、电荷驱动型、混合驱动型和开关驱动型4种。由于电压驱动型[4-5]具有迟滞影响，不适合动态性能要求较高的应用领域。电荷反馈驱动方式[6-7]能够满足一些动态性能要求较高的环境，响应速度快，迟滞减少，但存在低频稳定性差、在静态工作下电荷泄露大，非线性以及零点漂移等缺点。混合驱动型是结合电压驱动型和电荷驱动型各自优点的一种驱动方式，但是效率低、体积大。开关驱动型[8]是一种新型驱动方式，提高了使用效率。因此，针对目前使用的压电陶瓷驱动电源存在的使用效率低、体积大等问题，本文提出了一种PWM开关型压电陶瓷驱动电源，其使用效率高、动态性能好，具有很高的实用应用价值。
1 开关型驱动电源
1.1 脉冲开关型驱动电源基本组成
传统开关型驱动电源基本上是由分立元件构成的虽然基本上能实现对输入信号的脉宽调制，但由于分立元件工作不稳定，电路复杂、效率低，而使用PWM集成运算放大器，可以使电路设计比较简单，能够比较快速高效地完成驱动电源的设计与制作。其工作效率高、体积小、散热方面设计简单，甚至不需要散热器。PWM集成运算放大器用模拟输入信号作为调制信号，通过内部的锯齿波调制电路将模拟信号再转换成所需的PWM信号，最后经过内部的桥式放大电路输出，向负载提供输出信号，输出电压随着供电电压的增大而增大，频率与输入信号相同。输入信号经过PWM集成放大器放大之后，输出调制脉冲信号，再经过LC低通滤波电路处理，LC滤波将脉冲信号解调为模拟信号之后，便可直接驱动压电陶瓷负载。
但是一般的集成开关型驱动电源只能用于开环控制压电陶瓷，定位精度不高。在实际应用中需设计一些反馈电路来精确控制压电陶瓷的微位移。因此设计中采用电压反馈式电路，在输出级部分采用一个两阶无源LC低通滤波器。在电压反馈通道上设计带有积分式低通有源滤波器的差分放大器。采用无源滤波器主要是考虑到从PWM模块反馈的脉冲放大信号经过电阻分压器之后得到的是电压小信号。另一方面是将反馈的脉冲信号解调之后的模拟信号与输入控制小信号作比较。最后，误差积分器对滤波后的反馈电压和输入信号进行比较，通过消除偏差电压来实现电压反馈的精确控制，以克服电源电压和温度等一些参数变化对输出电压的影响。电压反馈式电路控制压电陶瓷两端的电压最终达到压电陶瓷致动器微米甚至纳米级的精密定位。
由图1可得电感与两端电压之间的关系为：
1.3 开关型驱动电源硬件电路设计
PWM集成运算放大器体积小、效率高且抗干扰性强。为了确保电压反馈式压电陶瓷驱动电源能够稳定工作，精确控制压电陶瓷位移，本设计采用以MSK4223为核心的PWM放大器，通过电压反馈环来精确控制压电陶瓷位移。电压式反馈式开关型压电陶瓷驱动电源设计电路如图3所示。
输出电压可以通过电压反馈检测。由于Output A和Output B输出的是大电压信号，因此，需要通过电阻分压器降低检测电压之后，小信号放大器才能处理。输出的电压信号通过由电阻R6和R8、R9和R10构成的电阻分压器之后可以缩小为原来的1/10，因此，驱动电源的反馈电压增益为-10 V/V。A2的同相输入端上，通过电容C4、C5与电阻R5、R7组合，构成一个二阶的20 kHz的积分低通滤波电路，反相输入端，C2、C3与R3、R4同理。A2是一个共模输入电压限制的放大器。反馈点是从Output A和Output B输出端取得，而不是从负载取得的。PWM方式反馈点在理论上也可以从负载选取，但在实际中却不行，因为由滤波元件所产生的相移会使得闭环稳定性变得很低。从输出取得的反馈点与负载取得的反馈点之间的差异就相当于由滤波电感产生的损耗。因此好的滤波设计会使这种损耗变得非常低。虽然MSK4223每半个H桥中都有感应电流的能力，由于采用的是电压反馈式，因此电流检测引脚连接在一起，直接接地。为了MSK4223实现100%调制，积分器A1的输出必须保证在1.25 V~3.75 V之间。A1是一个高速精密运算放大器，它对于任何所需的直流增益可以运行，在反馈设计中当作积分器使用。A2的输出信号可以提供所需的输入电压来驱动MSK4223，从而形成闭环控制。使积分放大器A1的时间常数足够快，以尽可能提供所需带宽的频率响应，循环的精确性靠高增益来确保。总之，积分放大器A1和差分放大器A2将输入控制信号转变为对应的脉冲放大信号。MSK4223通过内部比较器将积分放大器输出的信号与斜坡电压作比较来产生占空比信息。Output A和Output B输出的信号经过LC低通滤波器将脉冲放大信号重新解调成正弦信号来驱动负载。
2 脉冲开关型驱动电源效率分析
PWM开关型放大器具有使用效率高、节省成本和体积小等一系列特点。整个电路主要的损耗就集中在场效应管（或三极管）元件开关损耗和导通时饱和压降引起的损耗。因此可以通过公式分析放大器内部使用效率与功耗。此次设计采用的是全桥开关型放大器，为了直观分析效率，使用半桥输出电路，全桥输出电路放大器内部功率损耗是半桥输出电路的两倍，如图4所示。
MSK4223放大器内部的功率损耗为：
通过式（11）可知，输出电压VO越接近供电电压VS，效率就会越高。PWM放大器的优点就是输出总是接近供电电压或者接近于零。由于在输出电压的过程中压降很小，因此，开关放大器的效率要比线性放大器高。PWM放大器的输出效率值通常可以达到80%～95%。虽然PWM开关放大器的技术目前相对还不成熟，但当线性放大器和PWM放大器传送最大输出时，它们的效率几乎是相同的。典型来说，在输出电流相近的情况下，相比线性放大器来说，PWM放大器大约只有1/3或者更少的压降。静态功耗只是总体功率的一小部分。功耗的计算只包括输出电流和放大器所有的阻抗。另外，PWM开关放大器可以改善体积和硬件成本，提高便携性，因为其静态功耗低、发热少，不需要安装多个散热模块。
3 脉冲开关型驱动电源实验研究与结果
由于设计是以PWM放大器为核心的开关型压电陶瓷驱动电源全桥方式输出，因此，AOUT-BOUT电压经LC低通滤波后的电压即为压电陶瓷两端的电压，并且为悬浮电压。选用隔离差分探头进行测量，确保更精确测量压电陶瓷两端电压信号并传送到示波器的输入端。由于压电陶瓷相当于容性负载，为了测试开关型压电陶瓷驱动电源动态性能和最大有效带宽，使用高精度的CBO电容来模拟压电陶瓷。对该电源输入阶跃信号，对应的阶跃响应如图5所示。上升时间大约为150 μs。
驱动电源调制后的输出脉冲是一些不同占空比的波形。图6给出了2 kHz时占空比为90%的波形，反馈积分差分放大器的截止频率是20 kHz，理论上，PWM模块可以调制至少10 kHz的输入正弦信号，但由于反馈元件参数较难匹配，随着输入正弦信号频率的增加，最终跟随输入正弦信号的输出放大信号调制频率为2 kHz。
压电陶瓷的动态应用场合越来越多，通过分析目前使用的驱动电源存在的使用效率低、体积大等问题，提出了一种使用效率高、动态性能好的PWM压电陶瓷驱动电源，使用效率提高到80%以上，有效输出带宽可以达到2 kHz，体积小，集成度也有了明显提高。
参考文献
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