《电子技术应用》

基于H桥的压电陶瓷物镜驱动器控制电源设计

2017年电子技术应用第8期 作者:黄世玲1,2,陈 华1,林广升1
2017/9/19 14:48:00

黄世玲1,2,陈  华1,林广升1

(1.广西大学 计算机与电子信息学院,广西 南宁530004;2.南宁学院 机电与质量技术工程学院,广西 南宁530200)


    摘  要: 研究了一种应用于数字共焦显微系统的压电陶瓷物镜驱动器控制电源,采用高压桥式运放电路驱动小功率三极管H桥方式输出,改进了传统驱动电源在小幅度信号输出时驱动电流小、驱动容性负载响应速度慢等问题。设计了一种过流过压保护电路,对输出电流电压进行监控,由微控制器设置保护临界点,提高了控制电源的稳定性与可靠性。制作了方案的实验电路进行测试,经实验测试该压电陶瓷物镜驱动器控制电源各项指标均符合设计要求。

    关键词: 压电陶瓷;控制电源;数字共焦;桥式运放;低纹波

    中图分类号: TN79+2;TN721.5

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.165755


    中文引用格式: 黄世玲,陈华,林广升. 基于H桥的压电陶瓷物镜驱动器控制电源设计[J].电子技术应用,2017,43(8):151-154.

    英文引用格式: Huang Shiling,Chen Hua,Lin Guangsheng. Design of a control power supply for piezoelectric objective based on H bridge[J].Application of Electronic Technique,2017,43(8):151-154.

0 引言

    数字共焦显微技术是20世纪末兴起的一种新技术[1]。该技术利用传统光学显微镜采集生物样本序列切片图像,用计算机进行去卷积图像复原处理, 获取高清晰的细胞序列显微图像, 最后通过三维重构, 实现高分辨率的细胞层析和三维显示[2]。为了获得生物样本的等间距序列切片图像,广西大学课题组采用细分步进电机控制精密载物台的方法,实现了焦平面最小0.156 μm的间距移动[2]。但由于步进电机的机械震动性以及机械吻合度等原因,容易产生误差。目前,采用压电陶瓷物镜驱动器控制物镜与载物台之间进行亚微米级等间距步进的方法是获得等间距生物样本序列切片图像的有效方法之一[3]。压电陶瓷物镜驱动器有着分辨率高、体积小、响应速度快、输出力大、低功耗、无噪音等优点[4]

    目前,国内外针对压电陶瓷控制电源技术已有一定的研究,文献[5]设计的电源采用了数控电位器与高压功率运放相结合的方案,但该电源不适合动态应用,且电路过于复杂。文献[6]采用7路LM317串联,通过PWM调节光电耦合器来控制输出电压,但由于LM317动态应用时反应慢,难以满足本设计要求。文献[7]提出的电压反馈式开关型压电陶瓷驱动电源方案,动态带宽完,但开关管噪声纹波输出较大,难以满足本文的实际应用。因此,本文针对本压电陶瓷的性能,提出了采用桥式运放与小功率三极管相结合的电源设计方案。本文开展压电陶瓷物镜驱动器控制电源的研究,在传统光学显微镜上发展数字共焦显微技术具有重要意义。

1 电源的设计要求分析

    本课题研究的数字共焦显微系统的物镜驱动器件选用XP-721.SL的压电陶瓷物镜驱动器。该压电陶瓷主要参数为输入电压范围0~+150 V,对应控制行程范围0~100 μm,闭环最小分辨率5 nm;等效静电容量C=3.6 μF,响应频率F0=200 Hz;在动态应用驱动时最大开环额定功率为P=5 W。

    针对在动态应用中驱动容性负载时的输出额定功率计算如式(1),负载峰值电流计算公如式(2)[8]

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    根据额定功率P=5 W,C=3.6 μF,Upp=150 V,由式(1)和式(2)可得峰值电流Imax≈105 mA。由于压电陶瓷物镜驱动器在实际应用时功率不能超过额定功率,因此本文驱动电源输出(吸收)峰值电流达100 mA即可满足要求[3]

    本课题设计的数字共焦显微系统要求采集光学切片图像的最小间隔为50 nm,对应压电陶瓷物镜驱动器的驱动电压为75 mV;而压电陶瓷物镜驱动器最小响应时间Tmin如式(3)[8]

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    根据响应频率F0=200 Hz,故Tmin≈1.7 ms。当压电陶瓷物镜驱动器的充电时间小于Tmin时,压电陶瓷物镜驱动器的位置输出会在第三个振荡周期后稳定[8]。根据以上分析,本文驱动电源应能够输出幅度最小75 mV时的方波响应频率为300 Hz以上。同时该电源还应具有较好的线性度与稳定性,为减少误差,输出电压纹波应小于15 mV。

2 全桥式电源设计

    基于以上分析,本文驱动电源应实现0~150 V电压输出,步进分辨率达到75 mV,输出峰值电流达±100 mA;在动态应用时,步进频率达300 Hz以上。因此本文电源设计方案主要考虑小功率高压运放对DAC输出电压放大;同时为增强输出电源,采用了小功率推挽三极管作为输出。

2.1 电源的总体构成

    本文控制电源采用桥式运放与小功率三极管相结合的电源设计方案,电源总体构成如图1所示,主要由微控制器、数字模拟转换器(DAC)、高压放大器、直流供电系统以及过流过压保护电路组成。

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2.2 全桥式高压放大电路设计

    本文设计的H桥式高压放大电路模型结构如图2所示,由两个高压运放组成,A1为主放大器,放大倍数为AV1的计算公式如式(4)所示;A2为从放大器,其输出电压为A1输出电压的反相跟随,因此该高压放大放电路的总放大倍数为2倍的AV1。PZT为压电陶瓷物镜驱动器负载。

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    根据本文电源的设计要求,图2的桥式放大器输出电压为0~150 V,因此单个运放的输出至少为±75 V才能满足控制电源的输出要求。本文采用运放芯片型号为LTC6090-5作为主从运放,LTC6090-5总供电电压为140 V,允许单电源或者双电源供电,该芯片为轨到轨输出。LTC6090-5内部最大电源电流为3.9 mA,能输出或者吸收50 mA电流,为提高容性负载的驱动能力,在主从运放输出增加了小功率推挽三极管电路,具体电路如图3所示。主放大电路为同相输入放大电路,将DAC输出的小信号0~4.096 V电压放大到0~75 V;从放大电路为反相放大电路,放大倍数为-1,其输出电压大小为0~-75 V;从而保证了在图3中V+与V-之间能输出电压信号为0~150 V。

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    根据电源指标要求最大能输出±100 mA电流,在主从运放的输出端加入了小功率推挽三极管电路;根据要求最大输出额定功率P=5 W,由于采用H桥电路,功率加倍,因此主从放大电路最大输出额定功率为2.5 W。在动态应用时三极管Q1、Q2、Q3、Q4的集电极损耗的最大值为最大输出功率的1/5[6],即0.5 W。综上分析,三极管的选择应满足集电极-基极间电压150 V以上,集电极电流100 mA以上,集电极损耗为0.5 W。如图3所示推挽三极管基极没有加偏置电路,基极电流由运放提供,主从运放电路都引入了深度负反馈,因此在输出端不会产生交越失真,也保证了负载所需要的电流均由三极管提供,提高了小信号输出时的电流驱动能力[9]

2.3 过流过压保护电路

    根据式(1)、式(2)可知本文电源的最大额定功率及最大输出电流由动态应用时输出的峰值压和频率决定,在正常应用中可由微控制器设定输出幅度及频率,使得输出功率在额定功率以下。同时图3中R9为电流采样电阻,可通过差分运放对采样电阻上的电压进行放大,本文中采用LT1990专用H桥电流采样芯片对输出电流进行监控,该芯片将采样电阻两端形成的电压进行10倍放大后输出,可由微控制器控制ADC对电流进行实时的监控,若输出电流过大,则由微控制器输出控制信号到LTC6090-5的停机保护引脚OD,立刻停止输出,实现过流保护。图3中由电阻R6、R16对单端输出电压进行分压,由微控制器控制ADC实时监控输出电压,确保输出电压不超过最大电压150 V,若电压过大,同样由微控制器输出停机控制信号给OD,实现过压保护。LTC6090-5芯片的TF脚为芯片过热保护输出信号,主放大器电路中TF由微控制器进行检测,若芯片温度过高,则由微控制器输出停机信号,实现过热保护;从放大器电路中TF与OD相连,当芯片温度超过140°时,芯片将进入过热保护停机状态[10]

2.4 直流供电系统

    本文压电陶瓷物镜驱动器电源需要供电电压为±80 V,±5 V。采用4组独立可调的三端稳压芯片串联作为±80 V电压输出,选用的三端稳压芯片型号为LM317HV,输出电压1.27~50 V可调,输出电源最高可达1.5 A,输入与输出的最大电压差60 V,能较好的满足本文电源的供电要求。±5 V直流电压由常用的7805/7905芯片供电。

2.5 微控制器及数模转换器选择

    微控制器选择STC12系列单片机,型号为STC12C5A60S2,兼容51单片机指令,开发简单,自带8通道10位ADC功能,能满足本文的要求。数模转换器(DAC)选择根据本电源设计要求最小输出分辨率为75 mV,DAC基准电压为4.096 V;当DAC输出4.096 V电压时,对应本文电源输出电压为150 V,因此要求电源放大倍数为150 V/4.096 V,约等于36.6倍。若采用12位的DAC芯片,DAC最小输出电压为1 mV,经过高压放大器放大后最终电源输出36.6 mV,该电压约为要求电源输出最小分辨率电压75 mV的1/2倍,考虑到系统纹波等因素,12位DAC不符合要求。本文DAC选择16位以上,采用型号为LTC2641-16作为DAC芯片,该芯片与微控制器之间采用SPI通信,速度达50 MHz,输出电压设置时间1 μs,符合本文要求。

3 电源性能测试与分析

    本文电源性能的测试均在以下条件进行:压电陶瓷物镜驱动器的等效负载为3.6 μF的电容,因此测试时采用标称容量为4 μF电容作为测试负载;测试仪器有带宽100 MHz的示波器型号DS1102E和安捷伦6位万用表型号为U1231A;以下测量的波形图绘制均为采用示波器测试后通过示波器USB口将波形数据导入计算机,再利用MATLAB软件绘制波形图。

3.1 电源峰值电流输出

    图4为本文驱动电源输出峰值150 V,62 Hz的正弦波的波形图,波形没有失真,按式(1)、(2)可知,输出功率达5.02 W,输出电流达105 mA,证明本文驱动电源在动态应用时能满足本文压电陶瓷物镜驱动器的额定功率及最大电流要求。图5为输出150 V值时的阶跃上升以及下降波形图,上升和下降时间约为5 ms。

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    根据阶跃电压驱动容性负载时峰值电流计算如式(5)[11],其中Uvpp=150 V,t=5 ms,计算得峰值电流Imax=108 mA,满足本文电源最大输出100 mA的指标要求。

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3.2 线性度测试

    用微控制器控制DAC输出0~4.0 V电压,步进0.5 V,将该电压输入到图3电路的输入,用万用表测量负载电压,记录数据,图6为输入输出电压测试数据坐标图,最大输出误差出现在输入为0 V,此时的输出误差为0.016 V,因此求得线性度为0.01%,实验表明该电源线性度高。

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3.3 纹波测试

    压电陶瓷物镜驱动器的定位准确度与电源纹波的大小有关直接关系,本系统采用的XP-721.SL型压电陶瓷物镜驱动器有着10 mV纹波对应约为6.7 nm的输出误差。纹波测试采用示波器的交流输入,测量负载端输出电压0~150 V,步进值为15 V,测量数据记录如表1所示,总体上纹波在13 mV以内,符合本文电源的纹波指标要求。

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3.4 小幅度方波信号响应

    本文分别测试了电源输出为3.77 V与75 mV,频率均为300 Hz的小幅度方波信号,波形图如图7所示,在输出额定功率下,波形没有出现过冲或者震荡的情况,测试证明小幅度步进响应速度快,满足设计要求。

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4 结论

    采用高压运放及小功率三极管H桥式电路的方式,设计了一种专门应用于数字共焦显微仪压电陶瓷物镜驱动器的控制电源。其利用了压电陶瓷的单极性驱动特点,设计了不对称电源供电方式,提高了控制电源系统的效率。同时该电源具有体积小、成本低及方波信号响应速度快等特点。设计了对输出电流电压采样监控的保护电路,保证了电源输出的稳定性与可靠性,能满足本压电陶瓷物镜驱动器的控制电源要求。 

参考文献

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[3] 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.

[4] 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.

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[6] 赵雅彬,彭泽,张根.一种压电陶瓷致动器直流可调稳压驱动电源设计[J].北方工业大学学报,2015(1):51-55.

[7] 周涛,王澄,姜刚,等.一种新型压电陶瓷驱动电源的研究[J].微型机与应用,2013(23):16-19.

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[10] Linear.LTC6090:http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/6090fe.pdf.

[11] FLEMING A J.A megahertz bandwidth dual amplifier for driving piezoelectric actuators and other highly capacitive loads[J].Review of Scientific Instruments,2009,80(10):104701.

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