为了充分发挥压干式变压器的作用,提高升压比,在驱动电源电路的设计中,应使用频率跟踪电路。当谐振频率改变时,因该频率与输入信号频率不匹配,输出电压幅度将会降低,此时,频率跟踪电路将会检测到这种变换,并及时调整输入信号频率,使其与压电陶瓷变压器的谐振频率相匹配,从而使输入信号与压电陶瓷变压器处于谐振状态,使输出电压的幅度达到最大。
压电陶瓷驱动电源的设计驱动电源在动态应用期间应满足的条件
1、压电变压器基本工作特性表明,压电陶瓷1变压器是谐振体,只有在驱动电源频率等于压电陶瓷的固有谐振频率,谐振体处于谐振状态,延长度方向振幅最大的情况下,才能进行有效的电压变化。而实际上压电陶瓷变压器的谐振频率常常受到负载阻抗、环境因素的影响而发生变化。为了得到最佳输出,需要跟踪压电陶瓷谐振频率的变化,从而对驱动电源频率进行自动调整。
2、对外加电压来言,稳压器压电陶瓷相当于电容性负载,压电陶瓷的电容C比较大,它与驱动电路的输出电阻R构成RC回路,影响压电陶瓷的动态特性。只有降低驱动电源的输出电阻,才能使输出电阻R与压电陶瓷的电容C所构成的RC回路的时间常数降低,系统的动态性能变好,所以压电陶瓷在动态应用时其驱动电源应该尽可能地降低输出电阻。
硬件设计压电陶瓷的输入信号由信号发生电路产生,经驱动电路进行功率放大,送到压电陶瓷变压器的输入端。CPU根据隔离反馈电路中A/D转换后的数值来了解压电陶瓷变压器的输出幅值,判断输入信号的频率与压电陶瓷变压器的固有谐振频率是否匹配,是否处于谐振状态。并根据A/D转换的数值自动调节发送到D/A的数据,从而控制D/A的输出电压。此电压经运放电路后加到信号发生芯片的频率调节端,调节信号发生电路的输出频率,该频率信号被放大后可以驱动压电陶瓷变压器,使其输出幅值最大的输出电压。
硬件电路设计电路系统中,我们选用菲利浦公司最新研制的51内核单片机P87LPC767作为CPU来完成数据采集、处理功能。该芯片与常用MCS251系列单片机兼容,工作电压2.7~5.5V,具有可编程多功能I/O口、4路A/D转换电路、4KOTP等功能,选用该芯片可大大简化电路设计。D/A转换采用TLC5620,为了精密地调节信号发生电路的频率信号,使得信号发生芯片的输出频率与压电陶瓷的谐振频率相符,这里选用低功耗、高精度的TLC2252来组成运放电路,信号发生芯片采用可以同时输出方波、三角波和正弦波的专用集成电路ICL8038.
驱动电路是整个驱动电源的核心,负责将输入压电陶瓷的信号线性不失真地放大。VMOS管具有输出阻抗小、电流负载能力大、开关速度快等优点,适于驱动容性负载,可以把输入信号线性放大。输出电阻小,还可使输出电阻R与压电陶瓷的电容C所构成的RC回路的时间常数降低,满足压电陶瓷驱动电源在动态应用时的要求。
隔离、反馈电路主要是对压电陶瓷的输出电压进行自适应性调节。通过对压电陶瓷输出电压取样隔离,经过CPU的处理来调节信号发生器的输出频率,使压电陶瓷变压器工作在最佳的谐振状态。
电压放大电路软件设计软件设计中,CPU通过检测A/D转换得来的数值,了解压电陶瓷变压器的输入频率与其谐振频率是否匹配。由于受到负载阻抗、环境因素的影响,压电陶瓷变压器的固有谐振频率不断改变。软件设计的目的就是为了以最快的速度精确地跟踪压电陶瓷的谐振频率,使输入信号频率与其谐振频率保持一致,从而使输出电压幅值达到最大。
变压器厂家实验结果,采用实验室自行研制的压电陶瓷变压器,利用我们自己设计的驱动电源,对相关性能进行了测试。在负载阻值为100MΩ、输入电压5V时,频率与输出电压曲线如所示。在输入信号幅值依次为2~12V时,输入电压与输出电压曲线如所示。
频率与输出电压曲线输入电压与输出电压曲线可以看到压电陶瓷变压器的输出幅值与输入频率有关,输入电压与输出电压成线性关系。使用频率跟踪电路可以使压电陶瓷工作在最佳谐振状态。
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