超聲電機驅動功率放大電路

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(集美大學 機械與能源工程學院，福建 廈門 361021)

超聲電機(USM)的驅動信號是具有一定功率的高頻、高壓正弦交流信號[1-4]，由驅動電路產生的原始小信號必須經功率放大，才能滿足USM穩定運行的驅動技術要求。USM使用壓電陶瓷作為驅動關鍵元件，考慮到其存在遲滯、非線性、儲存電荷、驅動能力大等特性[4-6]，要求設計的信號功率放大電路應具有穩壓性好、輸出電壓較大、線性度高、非線性失真度小、電流驅動能力強等特點，從而產生較為理想的驅動效果。目前，對該信號進行功率放大主要有2種方法：一是利用功率金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)作為輸出級搭設的甲乙類對稱功率放大電路，這種開關式電路效率高，但輸出信號電壓波動大，電路實現復雜，頻率特性也較差[7]；二是直接選用高壓運算放大芯片設計功放電路[4]，如APEX公司出品的PA89、PA95等系列運算放大器(簡稱運放)，具有靜態性能好、電路結構簡單、輸出電壓高(峰峰值可達900 V)等優點，但輸出電流小于200 mA，限制了其動態性能[7]，同時芯片供電電壓要求嚴格，而且價格高達數千元，不利于USM的應用推廣。

本文中針對USM的驅動技術要求，設計開發出一種適用于USM的功率放大電路。 該功率放大電路是以通用運放AD811AN為基礎，附加2個并聯的功率放大芯片及升壓變壓器，從而獲得數十伏至數百伏區間內的輸出信號，同時該電路模塊采用集成運放，很大程度上減少了復雜電路計算，有利于實現USM驅動器的集成化與微型化，并擁有較好的穩定性、可靠性及經濟性，能夠滿足各功率類型超聲電機驅動需求。

1 USM驅動器工作原理

目前較成熟的USM驅動器基本工作原理如圖1所示，其主要由信號發生電路、濾波電路、移相電路與功率放大電路等部分組成。該驅動器首先由信號發生電路輸出2路或4路可調頻率的同頻等幅方波電壓信號，這些信號需要經過濾波電路轉換成4路光滑的正弦電壓，并連接移相電路用于調整信號相位，然后功率放大電路對輸入信號進行一定的功率放大，使得到的高頻、高壓正弦信號可以驅動USM正常運行。

圖1 超聲電機驅動器工作原理

2 功率放大電路設計方案

基于USM驅動信號要求，該功率放大電路的設計指標如表1所示。本設計要求輸入信號正弦交流電壓幅值在-10～+10 V范圍內，電路能夠輸出最大電壓峰峰值為600 V、工作頻率在20～60 kHz的驅動信號。同時考慮到功率運放芯片的工作溫度較高，需采用散熱片冷卻。

本文中設計開發的USM組合式功率放大電路的結構原理如圖2所示，主要由電壓放大級、功率放大級和升壓變壓器組成。首先，原始輸入信號通過電壓運算放大級驅動將信號電壓放大，最大電壓峰值為10 V；然后進入由2個功放芯片OPA541AM組成的功率放大級，得到最大電壓峰值為20 V、連續輸出電流為10 A的交流信號；最后，由變壓器將信號電壓增大到數百伏，峰峰值電壓最大可以達到600 V，從而適用于各種功率大小的USM，具有良好的通用性。

表1 功率放大電路設計指標

圖2 功率放大電路原理

3 電路設計與分析

3.1 電壓放大級電路

電壓放大級電路的運放芯片選用高速、寬波段、低失真度運算放大器AD811AN。該芯片在10倍增益、3 dB噪聲條件下，帶寬可達100 MHz，轉換速率為2 500 V/μs，其輸出電壓幅值可達±12 V，完全滿足信號工作頻率和電壓峰峰值要求。設計采用同相放大電路連接方式，供電電源電壓為±15 V，輸入信號電壓放大倍數G為1+R3/R2，可調電阻R3控制放大倍數，生成的信號最大電壓峰峰值為20 V，電路如圖3所示，其中，供電電源接電容0.1、10 μF用于穩定電壓。該電路采用Multisim進行仿真分析，結果見圖4。從圖中可以看出，信號被正確放大到±10 V，滿足設計要求。

3.2 功率放大級電路

功率放大級電路的作用是將前級信號幅值和功率進行放大，經查看多款功放芯片資料后，本設計最終選用Burr-Brown公司生產的OPA541AM型高性能功率放大器。 該芯片電源輸入電壓最高可達± 40 V，可連續輸出5 A大電流，具有足夠的驅動負載能力，同時內部存在過流保護電路，性能優秀且性價比高，滿足超聲電機驅動需求。具體設計電路如圖5所示，電路結構依然采用同相放大接法，電源電壓采用典型輸入電壓±30 V，并利用2個功率運算放大器OPA541AM并聯工作，從而獲得更大的輸出功率。

圖3 電壓放大級電路圖

圖4 電壓放大級仿真圖

其中，功率運放U1的頻率特性通過推導可得

(1)

因此,該部分電路增益為

(2)

式中：ω為角頻率；C為電容；R1、R2、R3為電阻。

功率運算放大器OPA541AM外接電阻，從而限流保護電路。其阻值由R3確定。2個功率運算放大器需分別輸出5 A電流，則R3為0.1 Ω。其中，C3、C4、C5、C6為去耦電容，用來穩定電源。利用Multisim進行仿真分析，結果見圖6。由圖可以看出，輸出信號電壓幅值為±20 V，且波形無明顯失真。

圖6 功率放大級仿真圖

3.3 升壓變壓器設計

USM的驅動要求適當的高電壓、小電流信號，而上述設計的功放電路電壓放大倍數有限，其峰峰值最大為數十伏，不能滿足驅動要求，因此必須設計合理的升壓變壓器，將前級功放電路輸出的信號電壓增大。該變壓器工作頻率為20～60 kHz，遠大于大多數電力變壓器，為了提高其性能和降低損耗，本文中選用EC型鐵氧體磁芯，鐵氧體材料具有剩余磁感應強度小、磁導率及飽和磁感應強度大等特性[8-9]，適用于高頻變壓器。同時采用面積乘法(AP)設計此變壓器[9-10]，該方法通過利用變壓器變比、工作頻率及功率，計算出磁芯窗口面積與磁芯橫截面積的乘積。相關已知參數如表2所示。

首先，通過推導變壓器視在功率Ps、輸入功率Pi及輸出功率Po之間的關系，可得視在功率為

Ps=Pi+Po=Po(1+1/η)，

(3)

式中η為變壓器效率。

然后，根據磁芯窗口面積Aw、磁芯有效截面積Ae與各個參數量之間的關系進行推導，得到公式

表2 變壓器已知參數

(4)

式中：J為電流密度；Bw為工作磁通密度；f為工作頻率；Ku為窗口利用系數；Kf為波形系數。

電流密度J和面積乘積值Ap的關系式為

(5)

式中Kj為電流密度系數。

將(4)、(5)式代入Ap=AwAe，進而可得面積乘積為

(6)

由于考慮到面積乘積Ap需要留有一定合適的余量，因此選用EC-35型鐵氧體磁芯。 該磁芯面積乘積、磁芯窗口面積與磁芯有效橫截面積分別為：Ap=1.201 2 cm4，Aw=107.25 mm2，Ae=112 mm2。根據這些數值，進行如下計算：

原邊線圈匝數Np為

(7)

副邊線圈匝數Ns為

(8)

原邊電流Ip為

(9)

副邊電流Is為

Is=Po/Vs=0.6 A；

(10)

原邊導線截面積Awp為

Awp=Is/J=0.025 4 cm2；

(11)

副邊導線截面積Aws為

Aws=Ip/J=1.52×10-3cm2。

(12)

通過查詢美國線規(AWG)并考慮一定余量，選用線徑為1.8 mm的原邊導線和線徑為0.44 mm的副邊導線，匝數分別為6、90。

4 測試與分析

依據上述設計電路及其參數，搭建電壓放大與功率放大級電路板，焊接相關元器件并制作升壓變壓器進行測試分析。首先由信號發生器輸出峰峰值為5 V、頻率為40 kHz的電壓信號，經第一級電壓放大電路將信號電壓峰峰值增大至20 V，然后此信號再通過第二級功率放大電路和升壓變壓器，最終輸出峰峰值為600 V的USM驅動信號。本文中使用RIGOL DS1102E型示波器觀察信號輸出效果，如圖7所示。從圖中可以看出，該功率放大電路模塊將輸入信號穩定放大至預期值，但是存在少量高頻信號干擾，需要進行濾波處理，同時以4.7 kΩ電阻作為負載，得到如圖8所示信號波形，可以看出最終輸出信號波形效果較好。

圖7 功率放大電路輸出信號波形

圖8 負載輸出信號波形

5 結論

本文中基于USM驅動技術要求，設計開發了集成運放與變壓器組合式功率放大器。 電路低壓放大級采用低失真度運放AD811AN芯片，將原始信號準確放大至10 V；電路功率放大級選用高性能集成運放OPA541AM芯片，在保證電路性能的同時，簡化了電路設計復雜度及實際調試，并采取兩路功率放大芯片并聯方式輸出信號，提高了功率放大器的驅動負載能力與動態性能。適用于高頻信號的EC型鐵氧體磁芯，被運用在升壓變壓器上，此級輸出信號能夠驅動USM正常工作。對設計的整體電路進行測試，驗證了上述相關電路模塊的性能，結果表明其具有較好的線性度及穩定性。該功率放大器能夠驅動不同功率大小的超聲電機，具備一定的通用性。