DRV2700 Piezo Driver

DRV2700 က single chip Piezo driver လေးဖြစ်ပြီး 4 mm x 4 mm x 0.9 mm အရွယ်ပဲ ရှိပါတယ်။ 100 V boost ဒါမှမဟုတ် 1 kV flyback configuration နဲ့ သုံးလို့ရပါတယ်။ Supply voltage က 3 V ကနေ 5.5 V အထိပေးနိုင်ပါတယ်။ သူ့ရဲ့ evaluation module တခုဖြစ်တဲ့ DRV2700EVM လေးနဲ့ စမ်းကြည့်ထားတာ တချို့ ဆွေးနွေးချင်ပါတယ်။

Figure. Testing DRV2700.

DRV2700 ရဲ့ boost + amplifier configuration တည်ဆောက်ပုံကို အောက်မှာ ပြထားပါတယ်။

Figure. DRV2700 boost + amplifier configuration.

အဲဒီမှာ BST က boost output voltage ပါ။ BST ကို amplifier ရဲ့ supply voltage (PVDD) ကို ပေးဖို့ ပြန်ဆက်သုံးလေ့ ရှိပါတယ်။ EN က chip enable ပါ။ FB က boost feedback ပါ။ R_FB1, R_FB2 တို့နဲ့ တွဲသုံးပြီး boost voltage ကို လိုသလို ထုတ်နိုင်ပါတယ်။ V_FB = 1.3 V ဖြစ်ပြီး၊ boost + amplifier configuration မှာ V_BST နဲ့ R_FB1, R_FB2 တို့ရဲ့ ဆက်သွယ်ချက်ကို အောက်ကအတိုင်း ဖော်ပြနိုင်ပါတယ်။
$$ \begin{equation} V_{BST}=V_{FB}\left( 1+ \frac{R_{FB1}}{R_{FB2}} \right) \end{equation} $$ ဥပမာ အနေနဲ့ V_BST ကို 105 V ထွက်ချင်ရင် R_FB1 ကို 806 kΩ နဲ့ R_FB2 ကို 10.1 kΩ သုံးနိုင်ပါတယ်။ R_FB1 ကို 806 kΩ နဲ့ R_FB2 ကို 16.45 kΩ သုံးရင်တော့ V_BST က 65 V ထွက်ပါမယ်။ Evaluation module DRV2700EVM အတွက် jumper setting နဲ့ V_BST ဇယားကို အောက်မှာ တွေ့နိုင်ပါတယ်။

Figure. BST Setting Based on the Jumper Configuration.

Amplifier ရဲ့ gain ( \( \frac{OUT^+-OUT^- }{IN^+-IN^-=}\) ) ကို GAIN0, GAIN1 pin တွေက သတ်မှတ်ပါတယ်။

Table. Amplifier gain

GAIN[1:0]	GdB	GAMP
00	28.8	27.54
01	34.8	54.95
10	38.4	83.18
11	40.7	108.4

Inductor ကို ရွေးချယ်သတ်မှတ်မှုက DRV2700 ရဲ့ လုပ်ဆောင်မှု ကောင်းမွန်မှု ရှိမရှိ အပေါ် တော်တော်သက်ရောက်မှု ရှိပါတယ်။ Inductance တန်ဖိုးကို 3.3 μH နဲ့ 22 μH ကြားရွေးချယ်သင့်တယ်လို့ ဆိုပါတယ်။ များသောအားဖြင့်တော့ inductance နဲရင် higher saturation current limit ရနိုင်ပါတယ်။ Inductance ကြီးရင်တော့ DRV2700 က အလိုအလျောက် switching frequency နိမ့်တာနဲ့ ပြောင်းပေးမှာမို့ switching losses တွေနည်းပါမယ်။ ဒါပေမယ့် parasitic inductor losses တွေတော့ တက်လာပါမယ်။ ယျေဘူယျ အားဖြင့်တော့ current limit တန်ဖိုး ကြီးတာကို လိုချင်တာမို့ inductance နည်းတာကို သုံးလေ့ရှိပါတယ်။ Evaluation module မှာတော့ 4.7 μH, 2.7 A inductor ကို သုံးထားတာ တွေ့ရပါတယ်။

REXT ကတော့ boost current ကို limit လုပ်ဖို့ အတွက် 6 kΩ နဲ့ 35 kΩ ကြားရှိတဲ့ resistor တခုခံပြီး Ground နဲ့ ဆက်ဖို့ပါ။ Current limit ( \(I_{LIM}\) ) နဲ့ resistor ( \(R_{EXT}\) ) တို့ရဲ့ ဆက်သွယ်ချက်ကို အောက်မှာ ဖော်ပြထားပါတယ်။ အဲဒီမှာ K=10500, V_REF=1.35 V, R_INT=60 Ω ဖြစ်ပါတယ်။

$$ \begin{equation} R_{EXT}=K.\frac{V_{REF}}{I_{LIM}}-R_{INT} \end{equation} $$ ဥပမာ အနေနဲ့ R_EXT=6.04 kΩ သုံးမယ်ဆိုရင် I_LIM ကို 2.32 A လို့ ရပါမယ်။ I_LIM ကို 1 A ရဖို့ အတွက်တော့ R_EXT=14 kΩ သုံးနိုင်ပါတယ်။

Boost capacitor က အနည်းဆုံး 50 nF ရှိဖို့လိုပါတယ်။ X7R အမျိုးအစား 100 nF capacitor ကို သုံးသင့်တယ်လို့ ဆိုပါတယ်။ Boost voltage နိမ့်တာကို သုံးရင် efficiency ပိုကောင်းတာကို တွေ့ရပါတယ်။ အောက်ကပုံတွေကို ကြည့်ရင် 80 V မှာ efficiency က 50% ဝန်းကျင်ပဲ ရှိတာကို တွေ့ရပါတယ်။

Figure. Typical characteristics.

DC coupled input နဲ့ ဆက်သုံးတဲ့ system example ပုံတခုကို အောက်မှာ ပြထားပါတယ်။

Figure. DC coupled DAC input configuration.

Piezo element တခုကို capacitor အနေနဲ့ model လုပ်နိုင်ပါတယ်။ အဲဒါဆို load current ရဲ့ peak တန်ဖိုး I_peak ကို အောက်ပါအတိုင်းတွက်နိုင်ပါတယ်။ $$ \begin{equation} I_{p}=2.\pi.f.C. V_{p} \end{equation} $$ Load မဟုတ်ပဲ အဝင် DRV2700 အတွက် peak supply current, I_DD ကို လိုချင်ရင်တော့ ဗို့ အချိုးရယ်၊ efficiency - μ ရယ်ကို ထည့်စဉ်းစားဖို့ လိုပါတယ်။ $$ \begin{equation} I_{DD}=2.\pi.f.C. V_{p}.\frac{V_{BST}}{V_{DD}.\mu} \end{equation} $$ ဥပမာ အနေနဲ့ Stack Multilayer Piezo Actuator, PICMA P-885.91 (Physik Instrumente, Karlsruhe, Germany) ဆိုရင် capacitance 3.1 μF နဲ့ travel range 32 μm ရှိပါတယ်။ V_p= 50 V နဲ့ frequency 10 Hz ဆိုရင် I_peak ကို 9.7 mA လို့ ရပါမယ်။ V_BST= 105 V, V_DD= 3.3 V, efficiency μ=45% နဲ့ တွက်လိုက်ရင် peak I_DD ကို 689 mA လို့ ရပါမယ်။

Noliac plate stack actuator NAC2003-H50-A01 ဆိုရင် 24620 nF နဲ့ travel range 72 μm ရှိတဲ့ အတွက် V_p= 30 V နဲ့ frequency 10 Hz ဆိုရင် I_peak ကို 46.4 mA လို့ ရပါမယ်။ V_BST= 65 V, V_DD= 3.3 V, efficiency μ=55% နဲ့ တွက်လိုက်ရင် peak I_DD ကို 1.66 A လို့ ရပါမယ်။

DRV2700 ကို DRV8662 သုံးထားတဲ့ PDu100D နဲ့ ယှဉ်ပြီး စမ်းကြည့်ခဲ့ပါတယ်။ Piezo actuator တွေလို large capacitive load တွေအတွက် DRV2700 က ပိုသင့်တော်တယ်လို့ဆိုပါတယ်။

Figure. pDu100B

Output voltage ရဲ့ noise တွေကို လျှော့ဖို့ အတွက် output resistor R_o ကို piezo element နဲ့ series ဆက်ပြီး သုံးလေ့ရှိပါတယ်။ Bandwidth ကတော့ first order RC low pass filter ရဲ့ bandwidth နဲ့ အတူတူပါပဲ။ $$ \begin{equation} f_{c}=\frac{1}{2.\pi.R_o.C} \end{equation} $$ သူတို့ကို နှိုင်းယှဉ်ကြည့်ခဲ့တဲ့ ရလဒ် တွေကို အောက်မှာ ဖော်ပြလိုက်ပါတယ်။

Table. Driving NAC2003-H50-A01, 25 μF with 60V peak to peak sinusoidal @ V_BST= 60 V, V_DD= 5 V, R_o= 1 kΩ

Driver	DC	1 Hz	10 Hz
DRV2700	13.5 mA	10 ~ 110 mA	170 ~ 250 mA
pDu100B	33 mA	30 ~ 130 mA	200 ~ 300 mA

Table. Driving PICMA P-885.91, 3 μF with 60V peak to peak sinusoidal @ V_BST= 100 V, V_DD= 5 V, R_o= 1 kΩ

Driver	DC	1 Hz	10 Hz
DRV2700	34 mA	32 ~ 57 mA	120 ~ 167 mA
pDu100B	73 mA	80 ~ 125 mA	160 ~ 220 mA

ဒီအောက်ကပုံလေးကတော့ ကျွန်တော်ဒီဇိုင်းလုပ်ထားတဲ့ 3 channel piezo driver လေးပါ။ DRV2700 သုံးခုသုံးထားပြီး အရွယ်အစားက 6 mm x 69 mm ပဲရှိတဲ့ 4 layered PCB ပါ။