高带宽压电陶瓷驱动电源_王彭

并研制了一种基于高压运放 MP108 的压电陶瓷驱动电源。采用直接数字频率合成技术产生信号源，信号经过前级放大
和滤波后输入到高压运放电路驱动压电陶瓷。分析了大功率驱动电源的散热问题，指出驱动电源散热片到空气的最大热
阻为 1. 1 ℃ / W。实验结果表明，当负载为 10 nf 时，驱动电源在 10 ～ 300 kHz 的频带范围内能够实现 100Vp － p 的放大输出， 基本满足超声导波压电激振器的驱动要求。
2πft）
（ 1）
式中： u 为压电陶瓷两端电压； f 为输出信号频率； A 为输出信号
幅值。
收稿日期： 2015 － 06 － 27
根据前述设计要求，当信号频率为 500 kHz，信号半峰值为 50 V 时，根据式（ 1） 计算得电压转换速率约为 157 V / μs。
大功率驱动电源还需要考虑电源的驱动能力，即驱动电源 的最大输出电流，根据前述输出电压和负载电容值可得最大输 出电流为 1. 57 A。
10 ～ 300 kHz，电压峰峰值为 100 V。在简化模型中将压电陶瓷
负载等效为 纯 电 容 器 件，考 虑 到 设 计 裕 度，分 析 频 带 上 限 为
500 kHz。
高频高压放大电路中对电压的转换速率提出了较高的要
求，当输入为正弦信号时转换速率的计算如下
SＲ
=
|
du dt
|
max
=
2πfAcos（
Tj = Ta + PDＲT
2016 年rument Technique and Sensor
2016 No. 3
高带宽压电陶瓷驱动电源
王 彭，宋克非
（ 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033）
摘要： 压电激振器是超声导波无损检测应用中的关键部件，针对激振器对压电驱动电源高带宽和大功率的要求，设计
3． 3 散热分析
对于大功率放大电路，当实际耗散功率超过额定数值时，会造 成功放管的损坏，因此需要分析电路功耗对散热条件的要求［10］。
设计的供电电压为 60 V，输出电压为 50 V，典型负载为 10 nF。
PC
=
v2s 2Z
L
（
4 π
－ cosθ）
（ 4）
电路输出级耗散功率的经验公式如式（ 4） 所示，当仅考虑
直接数字频率合成技术的原理如图 2 所示，时钟源频率为 固定值 fc 。在时钟源的作用下，控制器会按照函数表的地址顺 序读出 ＲOM 里的数据，此时输出信号的频率为 fO1 ，如果每隔 一个地址读出一次数据，其输出频率为 fO2 ，且 fO2 将比 fO1 提高 一倍，即 fO2 = 2fO1 ； 其余的频率输出依此类推。通过这种方法 就可以实现直接数字频率合成器的输出频率的调节。
通过以上分析，为 了 满 足 超 声 导 波 无 损 检 测 的 激 励 需 求， 对压电驱动电源的指标要求如下：
（ 1） 驱动电压输出范围为 － 50 ～ + 50 V； （ 2） 频率响应范围 10 ～ 300 kHz； （ 3） 电压转换速率 SＲ≥157 V / μs； （ 4） 最大输出电流 I≥1. 57 A（ 负载 C = 10 nF） 。 1． 2 驱动电源系统组成 驱动电源系统主要分为 2 个部分： 信号发生电路和驱动电 路。其组成结构如图 1 所示，单片机作为系统的总控制单元， 控制 DDS 信号发生器产生驱动信号，之后经过前级放大和滤波 电路对信号进行初步放大，同时单片机可以通过数字电位计调 节前级放大电路 的 放 大 倍 数，以 达 到 调 节 输 出 电 压 的 功 能，最 终初步放大的信号再经过驱动电路进行高压放大和功率放大， 作用于压电陶瓷产生振动信号。 2 信号发生电路设计 超声导波的激励需要产生不同频率的信号，该信号的产生 可以通过 3 种方式： 直接模拟频率合成法，直接数字频率合成 法（ DDS） ，间接锁相式合成法。直接模拟频率合成法频率分辨 率高、频率切换快，但是电路复杂不易于集成； 锁相式合成法利
图 2 频率合成技术原理
频率合成器的输出频率计算如式（ 2） 所示：
f0
=
K·
fc 2n
（ 2）
式中： K 为频率控制字； fc 为时钟频率； n 为函数表的地址位数。 设计中采用了专用的数字频率合成芯片 AD9833，输出信号的
频率和相位都可以通过软件编程的方法来改变，不需要外部元件
的配合就能够产生需要的波形。其拥有 28 位宽的频率控制寄存
最终需求的信号不含直流成分，因此需要在输出之前滤除直流
成分，同时需要对 信 号 进 行 初 步 放 大，以 满 足 下 一 级 驱 动 电 路
的输入电压要求。为此设计了压控电压源型二阶高通滤波器
和信号放大电路，同时为了减小 DDS 频率合成计输出的高频噪
声，在放大电路的 反 馈 电 阻 两 端 并 联 了 一 个 电 容 ，构 成 了 一 阶
为了达到单位增益稳定性，需要在功率放大电路外围布置 相位补偿电容，该相位补偿电容的选择和放大器的增益以及工 作模式有直接关系，同时也会影响放大器的电压转换速率。根 据本设计中放大器的增益和工作模式（ 非增强模式） ，选择 10 pF 的相位补偿电容（ 图 4 中的 C3 ） ，在该条件下放大器的电压 转换速率可以达到 170 V / μs 。在相位补偿电容的选择上还需 要考虑电容的耐压值，以满足高供电电压的要求。通常为了补 偿负载电容所带来的开环极点，需要在反馈电阻两端并联反馈 电容，在本应用中，因 为 负 载 电 容 很 小，开 环 极 点 在 频 率 之 外， 所以不加入反馈电容也能够保持电路的稳定性，电路的相位裕 度为 43． 8°。
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Instrument Technique and Sensor
Mar. 2016
图 1 驱动电源结构组成
用锁相环技术可 以 产 生 频 带 很 窄 的 信 号，但 是 频 率 转 换 较 慢； 直接数字频率合成法通过控制相位读取速度控制信号输出频 率，结构简单，电路易于集成，但是只能产生几百 MHz 量级的信 号［8］。而超声导波激励只需几百 kHz 量级的信号，因此本设计 中采用 DDS 技术产生输入信号。 2． 1 信号发生电路
图 4 驱动电路
3． 2 电流限制 为了保证功率放大电路的工作安全性，需要对输出电流进
第3 期
王彭等： 高带宽压电陶瓷驱动电源
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行限制，MP108 的电流限制通过在电流限制线之间连接限流电
阻来实现，这种连接会滤除由于焊盘和焊接引起的寄生电阻和
内部的放 大 失 真。输 出 电 流 的 限 制 近 似 由 公 式 ＲLIM = 0. 65 / ＲLIM 决 定，本 电 路 的 限 流 电 阻 为 0. 08 Ω，峰 值 电 流 可 以 达 到 8. 125 A，大于设计需求的 1． 57 A。
关键词： 压电陶瓷； 高压运放； 高带宽； 超声导波
中图分类号： TP384
文献标识码： A
文章编号： 1002 － 1841（ 2016） 03 － 0021 － 03
High Bandwidth Amplifiers for Piezoelectric Actuator
WANG Peng，SONG Ke-fei （ Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
低通滤波器，其截止频率约为 3 MHz，在前级放大电路和有源
滤波电路中选择了低价高速运算放大器 AD8066，其单位增益
带宽高达 115 MHz，供电电压为正负 ± 12 V，能够有效满足电源
对带宽和输出电压的要求，利用 multism 对放大和滤波电路进 行了仿真［9］，其响应曲线如图 3 所示。
压电陶瓷的电容属性并忽略运放的输出电阻时，可得电路输出
级的耗散功率为
PC
=
v2s 2πZL
≈43.
2
W
（ 5）
功率放大器热源结到封装的热阻 Ｒjc 为 1 ℃ / W（ 信号频率
小于 60 Hz 时） 和 1． 25 ℃ / W（ 信号频率大于 60 Hz 时） ，热源结
到空气的热阻 Ｒja 为 13 ℃ / W，结温最大值为 150 ℃ ，电路的静 态功耗约为 8 W。
Abstract： Piezoelectric actuator is the critical component in ultrasonic guided wave detection． As the piezoelectric actuator demands high power and high bandwidth driving power，a piezoelectric driving power based on high-voltage amplifier MP108 was designed and developed． The signal source was generated by direct digital frequency synthesis technique then amplified and filtered before sent to the high-voltage amplifier． Thermal dissipation of the driving power was analyzed and the maximum thermal resistance from the heat sink to air is 1. 1 ℃ / W． The experiment verifies that the driving power can output 100 Vp － p in bandwidth from 10 kHz to 300 kHz when the load is 10 nf，which can satisfy the request of the ultrasonic guided wave piezoelectric actuator． Key words： piezoelectric ceramic； high-voltage amplifier； high-bandwidth； ultrasonic guided wave