摘  要： 針對當前使用的壓電陶瓷驅動電源大多存在的使用效率低、體積大等問題，提出了一種使用效率高、動態性能好的新型PWM壓電陶瓷驅動電源。設計以MSK4223開關型運算放大器為核心，采用雙路輸出電壓積分反饋的方法，提高了壓電陶瓷微定位的精度，使用效率達到了80%以上，有效輸出帶寬可以達到2 kHz，動態性能良好，發熱量小，集成度也得到了明顯提高。最后對電壓反饋式開關型壓電陶瓷驅動電源進行了性能測試，從而驗證了在動態性能要求較高的環境下應用的可行性。
關鍵詞： PWM；動態性能；電壓反饋；有效帶寬；效率

　隨著科學技術的發展和研究領域的不斷擴展，人們研究的操作對象從宏觀領域逐步深入到了微觀領域，并且許多領域越來越需要高速動態納米定位系統，如微納制造、微電子制造、汽車工業、生命科學、超精密加工與測量和納米精密定位的光刻技術等。壓電陶瓷是一種微驅動材料，具有體積小、位移分辨率高、頻響高、無噪聲、不發熱、輸出有效頻帶寬、使用壽命長、位移精度非常高、驅動能力可達幾十牛到幾百牛[1-2]等特點，使得壓電陶瓷在動態定位領域的應用越來越廣泛。壓電陶瓷的動態性能在很大程度上依賴于驅動器的性能，例如驅動電源的穩定性、帶負載能力、使用效率、輸出有效帶寬以及輸出紋波等。因此，驅動電源的性能決定著納米定位系統的性能[3]。壓電陶瓷的驅動方式主要有電壓驅動型、電荷驅動型、混合驅動型和開關驅動型4種。由于電壓驅動型[4-5]具有遲滯影響，不適合動態性能要求較高的應用領域。電荷反饋驅動方式[6-7]能夠滿足一些動態性能要求較高的環境，響應速度快，遲滯減少，但存在低頻穩定性差、在靜態工作下電荷泄露大，非線性以及零點漂移等缺點。混合驅動型是結合電壓驅動型和電荷驅動型各自優點的一種驅動方式，但是效率低、體積大。開關驅動型[8]是一種新型驅動方式，提高了使用效率。因此，針對目前使用的壓電陶瓷驅動電源存在的使用效率低、體積大等問題，本文提出了一種PWM開關型壓電陶瓷驅動電源，其使用效率高、動態性能好，具有很高的實用應用價值。
1 開關型驅動電源
1.1 脈沖開關型驅動電源基本組成
　傳統開關型驅動電源基本上是由分立元件構成的雖然基本上能實現對輸入信號的脈寬調制，但由于分立元件工作不穩定，電路復雜、效率低，而使用PWM集成運算放大器，可以使電路設計比較簡單，能夠比較快速高效地完成驅動電源的設計與制作。其工作效率高、體積小、散熱方面設計簡單，甚至不需要散熱器。PWM集成運算放大器用模擬輸入信號作為調制信號，通過內部的鋸齒波調制電路將模擬信號再轉換成所需的PWM信號，最后經過內部的橋式放大電路輸出，向負載提供輸出信號，輸出電壓隨著供電電壓的增大而增大，頻率與輸入信號相同。輸入信號經過PWM集成放大器放大之后，輸出調制脈沖信號，再經過LC低通濾波電路處理，LC濾波將脈沖信號解調為模擬信號之后，便可直接驅動壓電陶瓷負載。
但是一般的集成開關型驅動電源只能用于開環控制壓電陶瓷，定位精度不高。在實際應用中需設計一些反饋電路來精確控制壓電陶瓷的微位移。因此設計中采用電壓反饋式電路，在輸出級部分采用一個兩階無源LC低通濾波器。在電壓反饋通道上設計帶有積分式低通有源濾波器的差分放大器。采用無源濾波器主要是考慮到從PWM模塊反饋的脈沖放大信號經過電阻分壓器之后得到的是電壓小信號。另一方面是將反饋的脈沖信號解調之后的模擬信號與輸入控制小信號作比較。最后，誤差積分器對濾波后的反饋電壓和輸入信號進行比較，通過消除偏差電壓來實現電壓反饋的精確控制，以克服電源電壓和溫度等一些參數變化對輸出電壓的影響。電壓反饋式電路控制壓電陶瓷兩端的電壓最終達到壓電陶瓷致動器微米甚至納米級的精密定位。

　　由圖1可得電感與兩端電壓之間的關系為：

1.3 開關型驅動電源硬件電路設計
　PWM集成運算放大器體積小、效率高且抗干擾性強。為了確保電壓反饋式壓電陶瓷驅動電源能夠穩定工作，精確控制壓電陶瓷位移，本設計采用以MSK4223為核心的PWM放大器，通過電壓反饋環來精確控制壓電陶瓷位移。電壓式反饋式開關型壓電陶瓷驅動電源設計電路如圖3所示。

　輸出電壓可以通過電壓反饋檢測。由于Output A和Output B輸出的是大電壓信號，因此，需要通過電阻分壓器降低檢測電壓之后，小信號放大器才能處理。輸出的電壓信號通過由電阻R6和R8、R9和R10構成的電阻分壓器之后可以縮小為原來的1/10，因此，驅動電源的反饋電壓增益為-10 V/V。A2的同相輸入端上，通過電容C4、C5與電阻R5、R7組合，構成一個二階的20 kHz的積分低通濾波電路，反相輸入端，C2、C3與R3、R4同理。A2是一個共模輸入電壓限制的放大器。反饋點是從Output A和Output B輸出端取得，而不是從負載取得的。PWM方式反饋點在理論上也可以從負載選取，但在實際中卻不行，因為由濾波元件所產生的相移會使得閉環穩定性變得很低。從輸出取得的反饋點與負載取得的反饋點之間的差異就相當于由濾波電感產生的損耗。因此好的濾波設計會使這種損耗變得非常低。雖然MSK4223每半個H橋中都有感應電流的能力，由于采用的是電壓反饋式，因此電流檢測引腳連接在一起，直接接地。為了MSK4223實現100%調制，積分器A1的輸出必須保證在1.25 V~3.75 V之間。A1是一個高速精密運算放大器，它對于任何所需的直流增益可以運行，在反饋設計中當作積分器使用。A2的輸出信號可以提供所需的輸入電壓來驅動MSK4223，從而形成閉環控制。使積分放大器A1的時間常數足夠快，以盡可能提供所需帶寬的頻率響應，循環的精確性靠高增益來確保?？傊e分放大器A1和差分放大器A2將輸入控制信號轉變為對應的脈沖放大信號。MSK4223通過內部比較器將積分放大器輸出的信號與斜坡電壓作比較來產生占空比信息。Output A和Output B輸出的信號經過LC低通濾波器將脈沖放大信號重新解調成正弦信號來驅動負載。
2 脈沖開關型驅動電源效率分析
　PWM開關型放大器具有使用效率高、節省成本和體積小等一系列特點。整個電路主要的損耗就集中在場效應管（或三極管）元件開關損耗和導通時飽和壓降引起的損耗。因此可以通過公式分析放大器內部使用效率與功耗。此次設計采用的是全橋開關型放大器，為了直觀分析效率，使用半橋輸出電路，全橋輸出電路放大器內部功率損耗是半橋輸出電路的兩倍，如圖4所示。

　MSK4223放大器內部的功率損耗為：

　通過式（11）可知，輸出電壓VO越接近供電電壓VS，效率就會越高。PWM放大器的優點就是輸出總是接近供電電壓或者接近于零。由于在輸出電壓的過程中壓降很小，因此，開關放大器的效率要比線性放大器高。PWM放大器的輸出效率值通常可以達到80%～95%。雖然PWM開關放大器的技術目前相對還不成熟，但當線性放大器和PWM放大器傳送最大輸出時，它們的效率幾乎是相同的。典型來說，在輸出電流相近的情況下，相比線性放大器來說，PWM放大器大約只有1/3或者更少的壓降。靜態功耗只是總體功率的一小部分。功耗的計算只包括輸出電流和放大器所有的阻抗。另外，PWM開關放大器可以改善體積和硬件成本，提高便攜性，因為其靜態功耗低、發熱少，不需要安裝多個散熱模塊。
3 脈沖開關型驅動電源實驗研究與結果
　由于設計是以PWM放大器為核心的開關型壓電陶瓷驅動電源全橋方式輸出，因此，AOUT-BOUT電壓經LC低通濾波后的電壓即為壓電陶瓷兩端的電壓，并且為懸浮電壓。選用隔離差分探頭進行測量，確保更精確測量壓電陶瓷兩端電壓信號并傳送到示波器的輸入端。由于壓電陶瓷相當于容性負載，為了測試開關型壓電陶瓷驅動電源動態性能和最大有效帶寬，使用高精度的CBO電容來模擬壓電陶瓷。對該電源輸入階躍信號，對應的階躍響應如圖5所示。上升時間大約為150 μs。

　驅動電源調制后的輸出脈沖是一些不同占空比的波形。圖6給出了2 kHz時占空比為90%的波形，反饋積分差分放大器的截止頻率是20 kHz，理論上，PWM模塊可以調制至少10 kHz的輸入正弦信號，但由于反饋元件參數較難匹配，隨著輸入正弦信號頻率的增加，最終跟隨輸入正弦信號的輸出放大信號調制頻率為2 kHz。

　壓電陶瓷的動態應用場合越來越多，通過分析目前使用的驅動電源存在的使用效率低、體積大等問題，提出了一種使用效率高、動態性能好的PWM壓電陶瓷驅動電源，使用效率提高到80%以上，有效輸出帶寬可以達到2 kHz，體積小，集成度也有了明顯提高。
參考文獻
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