多单元压电陶瓷类变形镜高压驱动电源设计

概要：针对变形镜压电陶瓷类驱动器单元数多的特点，设计一种高带宽合适拓展成多通道输入的压电陶瓷驱动电源，它利用光耦分互为隔绝从源近于驱动功率NMOS管，修改了电路结构并确保了功率比特率。该驱动电源驱动100nF容性阻抗时，可实现单端到地-300～+300V双极性高压输入，电压增益35．5dB，信号不杂讯情况下，小信号号召频率约10kHz，大信号号召频率2kHz，瞬时充放电电流平均400mA。实验指出该驱动电源的性能需要符合变形镜驱动的拒绝且电路结构非常简单。

　　0章节　　自适应光学（AO）系统中，变形镜（DM）作为一种波前校正器，通过转变镜面形状校正由大气湍流等引发的波前畸变，从而提高光学质量，提升图像分辨率。压电陶瓷类变形镜镜面的变形是由多个一端相同于镜面，另一端相同于底座的压电陶瓷驱动器（PZT）的前端来构建的。每一个驱动器都必须一个独立国家的驱动电源给它获取驱动电压，PZT独自电场的起到下，由于逆压电效应，将产生横向和水平方向上的前端应力，从而造就镜面产生应力。

　　为了产生所需的正负形变量必须给PZT施以双极性的几百甚至上千伏的高电压，因此必须驱动电源能、够输入双极性低电压信号。压电陶瓷类变形镜驱动器等效为容性阻抗，则当工作频率增高或电压增高时，所需的驱动电流将减少。

随着AO系统校正时间频率提升，对变形镜高压驱动电源的动态性能拒绝更加低，同时随着AO系统校正空间频率减少，其单元数也在大大减少，因此对驱动电源的动态性能、体积、功耗等明确提出了更高的拒绝。目前市场上双极性高压输入的压电陶瓷驱动电源性能优良，但是体积大、地下通道数少、容易拓展，无法符合多单元（几百上千）变形镜驱动的拒绝。本文研制了一种基于光耦和功率NMOS管的压电陶瓷驱动电源，具备较好的动态性能，且电路结构非常简单便于拓展。

　　1变形镜高压驱动电源设计　　1．1变形镜高压驱动电源工作原理　　压电陶瓷类变形镜对高压驱动电源的拒绝除了双极性高压输入和低的动态性能外，还拒绝驱动电源具备稳定性低、线性度好、纹波小等特点。一般来说驱动电源使用如图1右图的直流缩放式的原理结构，它主要由误差缩放级、高压功率放大级、电压负反馈网络和高压直流电源等构成。误差缩放级缩放输出高压掌控信号与电压对系统信号的差值构成负反馈，平稳驱动电源闭环时的电压增益；高压功率放大级构建电压和电流的缩放，符合变形镜驱动对电压和电流的拒绝；高压直流电源为高压功率放大级获取所需的高压直流电力。　　　　　　基于以上的原理结构，本文设计的变形镜高压驱动电源原理图如图2右图，高压构建运放U1A包含误差缩放级；电阻R2与C1的用作减少该级高频增益，防止波动。

误差缩放级的输入驱动高压功率放大级，使之产生高压功率信号，驱动变形镜压电陶瓷驱动器。电阻Rf，R3和耐热高压电容Cf包含电压负反馈，使驱动电源比特率范围内的闭环电压增益平稳为1+Rf／R3，微调R3可获得所须要缩放倍数的准确值。

高压直流电源使用340V输入的电源稳压电源，经稳压、滤波后给高压功率放大级获取高压直流电力。　　1．2高压功率放大级　　高压功率放大级为该驱动电源的核心部分，由图2由此可知高压功率放大级由上、下两个结构完全相同的单元电路构成。

以上半部分单元电路为事例，光耦U2发射极输入电流为该单元电路的输出信号，该输出信号从基极驱动晶体管Q2，而光耦U2和晶体管Q2联合从源近于驱动功率NMOS管Q1导通。当输出信号为0时，光耦U2和晶体管Q2不导通，此时NMOS管Q1与电阻R10，R14和稳压管D1包含输入电流恒定的电流源。当光耦U2输入电流减小时，驱动晶体管Q2集电极-射极电流减小，Q2可视作由光耦输入电流掌控的电流源，同时电流源驱动NMOS管Q1包含的电流源输入电流减少。

总之，该单元电路可视作由光耦输入电流掌控的星型电流源。　　两个单元电路如图2中右图横向相连时，上、下两单元电路互相地看作电流源（互相看电阻十分大），因此无阻抗时，上下两可控电流源电流值微小的变化将不会在输入V。

处产生相当大的电压转动，从而构建了电压的缩放。由于晶体管包含的可控电流源具备很高的电流缩放倍数，当驱动电源驱动容性阻抗时，光耦输入电流较小的变化就能使可控单元电路产生相当大的输入电流，使驱动电源需要输入到阻抗或从阻抗排出相当大的电流，从而构建了功率的缩放。与传统的具备比较独立国家电压缩放级和功率级驱动电源比起，该驱动电源将电压缩放级和功率放大级合二为一，在确保功率比特率的前提下，增加了电路级数。　　高压功率放大级的输出信号由光耦产生，由于光耦内部是通过光来构建信号的传输，光耦输出与输入信号在电学上是分离出来的，因此不论光耦输出与输入级不存在多大的电位差都可以构建信号的传输。

这使误差缩放级的高压输入信号就可掌控高压功率放大级的高压信号。同时由于光耦的分互为隔绝起到，使高压功率放大级对PZT驱动器的充放电电路需要使用完全相同的电路结构。并且单元电路中只使用了高压大功率的NMOS管，而防止了用于很难获得的耐热高压功率PMOS管，从而大大简化了电路结构。使之具备应用于多单元压电陶瓷类变形镜驱动的先决条件。

　　1．3驱动电源稳定性掌控　　高压驱动电源驱动容性的变形镜驱动器时，驱动器电容CL与驱动电源开环输出电阻Ro相互作用，在驱动电源的号召上不会产生新的零点，造成相位滞后，从而影响驱动电源的稳定性。为保证平稳、防止波动，在驱动电源对系统电阻Rf上并联耐高压电容Cf，使之在比特率范围内的对系统通路上减少零点，产生振幅落后，补偿终端容性阻抗引发的相位滞后，从而确保了驱动电源的稳定性。

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