驱动芯片BCS1608及其在超声电机中的应用

超声电机是一种将压电振子在超声频域的振动能转换为机械能的电动机，它应用压电元件产生的振动驱动移动体移动。根据超声电机的运动机理，由两相频率幅值相等、具有一定相位差的高频交变电压信号来驱动压电振子，使得电机的转子产生旋转运动。超声电机因其低速大转矩，体积小，重量轻。功率密度大，响应速度快，微位移，不受电磁影响等优点，已在透镜精密定位、相机镜头自动聚焦系统、隧道扫描显微镜、压电夹具体、机器人、计算机和医疗设备等领域得到应用。

超声电机虽然结构简单。但其压电元件需要高频激励。目前其驱动电源主要有3大类：一类是利用开关电源技术，由逆变来实现电压升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离，这种方法在国内的行波型超声电机驱动中使用比较广泛．但变压器必须与不同信号的超声电机匹配；另一类利用谐振升压产生驱动型号，虽然电路简单，体积小，但是电感参数选取比较困难；还有一类是采用正弦波型号直接放大输入超声电机，这种方法采用数字直接合成技术(DDS)，以模拟放大电路为基础来实现，激励信号达到理论分析的要求，实现控制算法简便灵活，但电路复杂，成本较高。微型超声电机应用场合的特性要求其驱动电源结构紧凑，可电池供电，简单易行。而BCS1608满足以上要求，输出电压两相／三相可选，因此可作为不同型号微型超声电机的驱动电源。


1 BCS1608的主要特点

BCS1608是博立码杰通讯(深圳)有限公司自主研发推出的一款两／三相升压逆变器，输入2．5～5．5 V电源及控制信号，输出36 V高电压两相或三相驱动电平，内置开关频率为500 kHz的Boost升压模块。该芯片待机电流低，功耗小，外围电路简单，体积小，可靠性高。

BCS1608可实现两相或三相高压输出，切换方便。其应用范围包括录像机、CD／DVD播放机、汽车音频等音像设备，PC外围设备，汽车导航系统和办公设备等。BCS1608的内部结构如图1所示。





其主要特性如下：

(1)直流输入电压，可直接由电池供电，无需外加变压器或有源升压开关器件；

(2)输出电压可调，幅值最高可达36 V；

(3)两种工作模式，其中两相输出相位差为90，三相输出相位差为120；

(4)待机电流小；

(5)体积小，仅为3 mm×3 mm，QFN封装。

由图1可知，BCS1608内部电路分为3大模块：升压部分、相位控制逻辑部分和逆变部分。其中升压部分采用Boost DC／DC升压电路，相位控制逻辑部分根据相位控制信号SEI．和DIR对输入时钟信号进行分频和相移，为逆变部分提供开关信号。


2 引脚功能和外围电路

BCS1608采用16脚QFN封装，各引脚功能定义如下：

VBB：由DC—DC升压得到的高压电源，为驱动部分供电；
AGND：模拟地；
DIR，SEI：控制3路驱动信号的相位，如表1所示；
GND：数字地；
IN：输入时钟信号；
SHDN：电路使能信号，高电平有效；
FB：DC—DC输出电压反馈引脚，设置VBB最高点压；
VCC：输入低压电源脚；
SW：内部NMOS开关管的漏输出；
OUT1～OUT3：三路驱动信号输出。




BCS1608的外围电路简单，需要快恢复二极管、电感和电容各1个与内部电路组成Boost升压电路，电阻2个用于反馈电压，再外加1个电容起滤波作用，其简单应用电路如图2所示。




3 逆变电路结构

由于超声电机驱动时所利用的振型的多样性，因此超声电机的结构形式非常灵活和多样化，也要求驱动电源与之配套，使得驱动电源可移植性差。而由BCS1608构成的驱动电源输出两相和三相可选，可驱动多种不同结构的超声电机。
由于B(2S1608要兼顾两相和三相输出，其逆变部分采用两相三桥臂逆变电路，如图3所示。




当负载为两相时，可选逆变电路有3种：半桥逆变电路、双H桥逆变电路和两相三桥臂逆变电路。半桥逆变电路结构简单，仅需要4个功率变换器组成2个桥臂即可，如图3所示。虽然它所需功率开关器件少，成本低廉，稳定性高，但是回馈电流会使前级变频电源输出电压波动较大，且需要对称正负输出电源。采用双H桥逆变电路则只需要单路稳压电源，两相负载的电流也不再对电源形成大的干扰，直流电压利用率也比半桥电路要高，如图4所示，如ROHM公司的H桥驱动器BD623X即采用这种电路；但同时功率开关器件数量较之半桥逆变电路增加一倍，结构上也变得复杂。实际应用中将图5中的中间两只桥臂合二为一，成为公共桥臂，即图3所示两相三桥臂全桥逆变电路，既减少了开关器件的数目又保持了双H桥的优点。

当负载为三相时，由于三相半桥逆变电路与两相三桥臂逆变电路完全一致，因此可实现两相和三相之间的灵活转换。




4 输出电压仿真实验

由表1中可知电压输出模式分为2种：两相模式和三相模式。两相输出时，输出是输入时钟的两分频，而三相输出时为输入时钟的三分频。利用Matlab搭建BCS1608内部电路逆变部分的仿真模型，如图6所示，其中s函数输入为输出电压控制信号的频率；输出为6个功率开关的开关信号，且根据SEL，DIR的不同值产生相应信号使逆变电路输出不同相位电压，同时为防止同一桥臂直通，在S函数中设置了死区时间。改变SEL和DlR值，对上述2种工作模式进行仿真，得到波形如图7所示，输出相电压幅值均为36 V，频率均为20 kHz。




5 应用实例

选用了同为博立码杰公司生产、用于手机摄像头AF功能的：BM730一A1型号的超声电机。它是一款由粘接有压电片的多边形金属螺母定子和带有外螺纹的转子组成的螺母型超声电机。

在分区的压电陶瓷上施加激励信号，激励出定子的面内行波。通过整个定子的螺纹表面驱动与之相配合的螺纹转子旋转，并通过螺纹将转子的旋转运动转化为直线运动。




驱动电源由一块3．7 V锂电池、1片单片机和1片BCS1608及附加被动元件组成。其中超声电机既可采用两相驱动，也可采用三相驱动；驱动电压要求幅值为22±2 V，频率为16．78 kHz。

图8为BCS1608输出线电压波形，其中BCS1608为两相输出时，图8(a)为超声电机正转时的波形，图8(b)为超声电机反转时的波形；BCS1608三相输出时，图8(c)为超声电机正转时的波形，图8(d)为超声电机反转时的波形。




实验可得，BCS1608很好地驱动了超声电机，输出波形失真小，效率高，可作为微型超声电机驱动电源的首选。

6 结语

BCS1608由于其高度集成的设计，外围电路简单，简化了系统设计过程，适合用于对结构要求苛刻的超声电机。实验结果表明：BCS1608两种输出模式可靠性高，可广泛应用于各种微型超声电机驱动电源中。