驅(qū)動芯片ＢＣＳ１６０８及其在超聲電機中的應用

柳莎莎　李　毅　彭　勇

摘 要：超聲電機的應用場合要求其驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、集成度高，且超聲電機結(jié)構(gòu)形式多樣，要求驅(qū)動電源配套。BCS1608是一種3路電平轉(zhuǎn)換電路，可將2.5~5.5 V的電源電壓轉(zhuǎn)換為36 V高電平的輸出驅(qū)動信號。簡要介紹其主要特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能，重點討論逆變部分的電路結(jié)構(gòu)，其兩相三橋臂的結(jié)構(gòu)提供了兩相和三相2種電壓輸出模式。給出該芯片在微型超聲電機BM730－A1中的應用方案，得到很好的驅(qū)動效果。仿真及實驗結(jié)果表明，該芯片構(gòu)成的驅(qū)動電源可靠性高，適合驅(qū)動多種結(jié)構(gòu)微型超聲電機。

關鍵詞：BCS1608；驅(qū)動芯片；兩相三橋臂電路；超聲電機

中圖分類號：TP211.5 文獻標識碼：B 文章編號：1004－373X(2009)04－185－03

Drive Chip BCS1608 and Its Application in Ultrasonic Motors

LIU Shasha,LI Yi,PENG Yong

(Boly Media Communications (Shenzhen) Co.Ltd.,Shenzhen,518031,China)

Abstract：Simple configuration,low power consumption and high integration of drive power are needed by ultrasonic motor application,and matching drive power supply is requested for kinds of ultrasonic configurations.BCS1608 is a three－channel voltage inverter,supplied by 2.5~5.5 V low voltage and logic control signal,outputting high voltage 36 V driving signal.The main characteristics,internal structure and pin function are introduced.The inverter topology is disscused,and its two－phase three－leg circuit provids two－phase and thtee－phase output voltage modes.Its application in small ultrasonic motors BM730－A1 obtains good result.The simulation and experiment results indicate that the driver source composed of this chip with high reliability is suitable for multi－configuration ultrasonic motors.

Keywords：BCS1608;drive chip;two－phase three－leg circuit;ultrasonic motor

超聲電機是一種將壓電振子在超聲頻域的振動能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機，它應用壓電元件產(chǎn)生的振動驅(qū)動移動體移動。根據(jù)超聲電機的運動機理，由兩相頻率幅值相等、具有一定相位差的高頻交變電壓信號來驅(qū)動壓電振子，使得電機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。超聲電機因其低速大轉(zhuǎn)矩，體積小，重量輕，功率密度大，響應速度快，微位移，不受電磁影響等優(yōu)點，已在透鏡精密定位、相機鏡頭自動聚焦系統(tǒng)、隧道掃描顯微鏡、壓電夾具體、機器人、計算機和醫(yī)療設備等領域得到應用［1,2］。

超聲電機雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其壓電元件需要高頻激勵［3,4］。目前其驅(qū)動電源主要有3大類：一類是利用開關電源技術，由逆變來實現(xiàn)電壓升壓、能量傳遞、阻抗匹配和電源隔離，這種方法在國內(nèi)的行波型超聲電機驅(qū)動中使用比較廣泛，但變壓器必須與不同信號的超聲電機匹配［5］；另一類利用諧振升壓產(chǎn)生驅(qū)動型號，雖然電路簡單，體積小，但是電感參數(shù)選取比較困難［6］；還有一類是采用正弦波型號直接放大輸入超聲電機，這種方法采用數(shù)字直接合成技術（DDS），以模擬放大電路為基礎來實現(xiàn)，激勵信號達到理論分析的要求，實現(xiàn)控制算法簡便靈活，但電路復雜，成本較高［7,8］。微型超聲電機應用場合的特性要求其驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)緊湊，可電池供電，簡單易行。而BCS1608滿足以上要求，輸出電壓兩相/三相可選，因此可作為不同型號微型超聲電機的驅(qū)動電源。

1 BCS1608的主要特點

BCS1608是博立碼杰通訊（深圳）有限公司自主研發(fā)推出的一款兩/三相升壓逆變器，輸入2.5~5.5 V電源及控制信號，輸出36 V高電壓兩相或三相驅(qū)動電平，內(nèi)置開關頻率為500 kHz的Boost升壓模塊。該芯片待機電流低，功耗小，外圍電路簡單，體積小，可靠性高。

BCS1608可實現(xiàn)兩相或三相高壓輸出，切換方便。其應用范圍包括錄像機、CD/DVD播放機、汽車音頻等音像設備，PC外圍設備，汽車導航系統(tǒng)和辦公設備等。BCS1608的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其主要特性如下：

(1)直流輸入電壓，可直接由電池供電，無需外加變壓器或有源升壓開關器件；

(2)輸出電壓可調(diào)，幅值最高可達36 V；

(3)兩種工作模式，其中兩相輸出相位差為90°，三相輸出相位差為120°；

(4)待機電流??；

(5)體積小，僅為3 mm×3 mm，QFN封裝。

由圖1可知，BCS1608內(nèi)部電路分為3大模塊：升壓部分、相位控制邏輯部分和逆變部分。其中升壓部分采用Boost DC/DC升壓電路，相位控制邏輯部分根據(jù)相位控制信號SEL和DIR對輸入時鐘信號進行分頻和相移，為逆變部分提供開關信號。

2 引腳功能和外圍電路

BCS1608采用16腳QFN封裝，各引腳功能定義如下：

VBB：由DC－DC升壓得到的高壓電源，為驅(qū)動部分供電；

AGND：模擬地；

DIR，SEL：控制3路驅(qū)動信號的相位，如表1所示；

GND：數(shù)字地；

IN：輸入時鐘信號；

SHDN：電路使能信號，高電平有效；

FB：DC－DC輸出電壓反饋引腳，設置VBB最高點壓；

VCC：輸入低壓電源腳；

SW：內(nèi)部NMOS開關管的漏輸出；

OUT1~OUT3：三路驅(qū)動信號輸出。

BCS1608的外圍電路簡單，需要快恢復二極管、電感和電容各1個與內(nèi)部電路組成Boost升壓電路，電阻2個用于反饋電壓，再外加1個電容起濾波作用，其簡單應用電路如圖2所示。

3 逆變電路結(jié)構(gòu)

由于超聲電機驅(qū)動時所利用的振型的多樣性，因此超聲電機的結(jié)構(gòu)形式非常靈活和多樣化，也要求驅(qū)動電源與之配套，使得驅(qū)動電源可移植性差。而由BCS1608構(gòu)成的驅(qū)動電源輸出兩相和三相可選，可驅(qū)動多種不同結(jié)構(gòu)的超聲電機。

由于BCS1608要兼顧兩相和三相輸出，其逆變部分采用兩相三橋臂逆變電路，如圖3所示。

當負載為兩相時，可選逆變電路有3種：半橋逆變電路、雙H橋逆變電路和兩相三橋臂逆變電路。半橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，僅需要4個功率變換器組成2個橋臂即可，如圖3所示。雖然它所需功率開關器件少，成本低廉，穩(wěn)定性高，但是回饋電流會使前級變頻電源輸出電壓波動較大，且需要對稱正負輸出電源［9］。采用雙H橋逆變電路則只需要單路穩(wěn)壓電源，兩相負載的電流也不再對電源形成大的干擾，直流電壓利用率也比半橋電路要高，如圖4所示，如ROHM公司的H橋驅(qū)動器BD623X即采用這種電路；但同時功率開關器件數(shù)量較之半橋逆變電路增加一倍，結(jié)構(gòu)上也變得復雜［10］。實際應用中將圖5中的中間兩只橋臂合二為一，成為公共橋臂，即圖3所示兩相三橋臂全橋逆變電路，既減少了開關器件的數(shù)目又保持了雙H橋的優(yōu)點。

當負載為三相時，由于三相半橋逆變電路與兩相三橋臂逆變電路完全一致，因此可實現(xiàn)兩相和三相之間的靈活轉(zhuǎn)換。

4 輸出電壓仿真實驗

由表1中可知電壓輸出模式分為2種：兩相模式和三相模式。兩相輸出時，輸出是輸入時鐘的兩分頻，而三相輸出時為輸入時鐘的三分頻。利用Matlab搭建BCS1608內(nèi)部電路逆變部分的仿真模型，如圖6所示，其中S函數(shù)輸入為輸出電壓控制信號的頻率;輸出為6個功率開關的開關信號，且根據(jù)SEL，DIR的不同值產(chǎn)生相應信號使逆變電路輸出不同相位電壓，同時為防止同一橋臂直通，在S函數(shù)中設置了死區(qū)時間。改變SEL和DIR值，對上述2種工作模式進行仿真，得到波形如圖7所示，輸出相電壓幅值均為36 V，頻率均為20 kHz。

5 應用實例

選用了同為博立碼杰公司生產(chǎn)、用于手機攝像頭AF功能的BM730－A1型號的超聲電機。它是一款由粘接有壓電片的多邊形金屬螺母定子和帶有外螺紋的轉(zhuǎn)子組成的螺母型超聲電機。

在分區(qū)的壓電陶瓷上施加激勵信號，激勵出定子的面內(nèi)行波。

通過整個定子的螺紋表面驅(qū)動與之相配合的螺紋轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并通過螺紋將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。

驅(qū)動電源由一塊3.7 V鋰電池、1片單片機和1片BCS1608及附加被動元件組成。其中超聲電機既可采用兩相驅(qū)動，也可采用三相驅(qū)動；驅(qū)動電壓要求幅值為22±2 V，頻率為16.78 kHz。

圖8為BCS1608輸出線電壓波形，其中BCS1608為兩相輸出時，圖8(a)為超聲電機正轉(zhuǎn)時的波形，圖8(b)為超聲電機反轉(zhuǎn)時的波形；BCS1608 三相輸出時，圖8(c)為超聲電機正轉(zhuǎn)時的波形，圖8(d)為超聲電機反轉(zhuǎn)時的波形。

實驗可得，BCS1608很好地驅(qū)動了超聲電機，輸出波形失真小，效率高，可作為微型超聲電機驅(qū)動電源的首選。

6 結(jié) 語

BCS1608由于其高度集成的設計，外圍電路簡單，簡化了系統(tǒng)設計過程，適合用于對結(jié)構(gòu)要求苛刻的超聲電機。實驗結(jié)果表明：BCS1608兩種輸出模式可靠性高，可廣泛應用于各種微型超聲電機驅(qū)動電源中。

參 考 文 獻

［1］Umeda M,Nakamura K,Ueha S.Effects of a Series Capacitor on the Energy Consumption Piezoelectric Transducers at High Vibration Amplitude Level［J］.Appl.Phys.,1999,38(5B):3 327－3 330.

［2］黃正福.超聲波電機的應用領域拓展［J］.科技資訊,2006,(28):44－45.

［3］祖家奎,趙淳生.超聲電機定子的驅(qū)動方式及其振動相應特性［J］.壓電與聲光,2006,28(1):92－95.

［4］蘇艷文.薄板面內(nèi)振動直線型超聲電機及其驅(qū)動電路的設計［D］.南京:南京航空航天大學,2007.

［5］韓天軍,劉建平,李朝東.基于DSP的超聲電機驅(qū)動與控制電路［J］.微特電機,2003(3):30－34.

［6］顧菊平,胡敏強,石斌,等.超聲波電機諧振升壓式驅(qū)動技術研究［J］.中國電機工程學報,2002,22(8):49－52.

［7］郝銘,陳維山,劉軍考,等.基于DDS技術的行波超聲電機電源［J］.機械與電子,2007(9):29－31.

［8］欒寶寬,方蕾,馮永浩.基于DDS的信號發(fā)生器的設計與實現(xiàn)［J］.電子工程師,2005,31(10):38－39.

［9］劉強遠,?？“?半橋逆變電路分析與設計［J］.石油儀器,1999,13(1):23－24.

［10］黃健,尹志強,王玉琳.基于雙極性橋式電路的兩相制步進電機驅(qū)動器設計［J］.控制與檢測,2007(1):76－82.

作者簡介 柳莎莎 碩士，2008年畢業(yè)于湘潭大學電力電子與電力傳動學位點，現(xiàn)在博立碼杰通信(深圳)有限公司從事超聲電機的驅(qū)動與控制研究工作。