压电平台已经做到纳米级了为什么电源噪声还能毁掉精度一套压电定位平台分辨率已经做到了纳米级。机械结构足够精密传感器足够准确控制算法也反复调过。按理说它应该已经很“稳”了。但真正到了设备上工程师有时会遇到一个很反常识的问题平台明明已经停下来了位置却还是在轻微地“抖”。继续检查机械结构没发现明显问题。检查导轨、预紧、传感器也都正常。最后问题可能一路追到一个很多机械工程师最开始根本不会注意的地方电。更准确地说是电源和驱动系统里的噪声。这就奇怪了。一个已经做到纳米级定位的精密平台为什么还会怕那么一点点电压波动01当目标进入纳米级1mV可能都不再是“小事”压电驱动和普通电机有一个很大的不同。普通电机要经过电流 → 电磁力 → 电机旋转 → 丝杆/机构 → 位移而压电陶瓷更直接。给它施加电场材料本身就会产生微小形变。所以从最简单的角度理解压电系统其实建立了一条很短的链路电压变化↓压电陶瓷形变↓平台产生位移这也是压电驱动能够实现极高分辨率的重要原因。但优势的另一面也随之出现了既然很小的电压变化都能产生很小的位移那么驱动电压里的噪声同样可能变成不想要的位移。举一个只用来理解量级的例子。假设某个压电系统在一段工作区间内可以近似理解为100V → 100μm那么它的局部灵敏度大约就是1V → 1μm继续往下换算1mV → 1nm当然真实压电陶瓷存在迟滞、蠕变和非线性闭环控制也会抑制一部分扰动所以不能简单拿这个比例去计算一台实际设备。但这个例子已经足够说明问题当设备追求的是毫米精度时1mV也许无关紧要当设备追求的是纳米精度时过去可以忽略的电气问题就可能突然变成位置问题。PI在压电定位技术资料中也明确指出压电执行器的实际分辨率会受到驱动放大器噪声影响而且只知道“多少mV噪声”还不够——**噪声处在哪个频段同样非常重要。**如果噪声靠近机械系统敏感的频率范围对位置稳定性的影响会更加明显。Pi USA这也是纳米级定位很有意思的地方机械已经足够精密之后真正限制系统的东西开始从机械延伸到了电子系统。02那些让平台“不安静”的噪声到底从哪里来一台真正的精密设备里当然不会只有一套压电平台。旁边可能同时存在开关电源、FPGA、MCU、ADC、DAC、伺服电机、传感器、高速通信接口……每一样单独拿出来可能都很正常。但把它们全部装进一台设备之后问题就开始复杂了。例如开关电源。它通过高速开关把一种电压转换成另一种电压本身就可能带来开关纹波和高频噪声。于是某些情况下一条不起眼的路径就出现了DC-DC电源↓高频噪声进入供电网络↓敏感的模拟/控制电路受到影响↓驱动信号或测量信号出现扰动↓最终反映到位置控制注意这时候你在设备上看到的现象可能依然是“位置不够稳定。”所以工程师第一反应很容易继续查机械。但真正的问题可能已经跑到PCB里面去了。这就是精密设备发展到微米、纳米级以后一个很明显的变化过去大家分别研究机械、控制、电源和电子。现在它们越来越像同一个问题。因为最终设备只关心一个结果我要你停在这里你到底能不能安静地停在这里于是故事就走到了一个非常不起眼的小器件。03然后一颗不起眼的“小黑块”出现了打开很多精密设备的控制板你会发现一些很不起眼的小黑色器件。它们可能只有0603、0805、1206……规格书上写着120Ω 100MHz或者600Ω 100MHz这就是磁珠。很多刚接触磁珠的人会下意识把它理解成“一个很小的电感。”这个理解不算完全错但也远远不够。磁珠真正有意思的地方是它的阻抗会随着频率发生很大的变化。在目标高频范围内一部分磁珠会呈现比较明显的损耗特性。换句话说高频噪声遇到它之后并不是简单被“挡回去”其中一部分能量会在磁性材料损耗中被消耗掉。所以在很多电源和敏感电路里我们会看到这样的组合电源↓磁珠↓去耦电容↓敏感电路它的目的之一就是降低某些高频噪声继续沿着供电网络传播的机会。Analog Devices对磁珠的解释也很直观磁珠在其目标工作频段内会逐渐表现出明显的电阻性损耗从而帮助消耗高频噪声能量因此常被用于电源噪声和EMI抑制。亚德诺半导体于是一个很有意思的反差出现了一台价值几十万甚至更高的精密设备最终能不能做到足够“安静”不仅取决于压电平台、传感器和控制器这些大部件。PCB上一颗价格很低、尺寸只有几毫米甚至更小的磁珠也可能参与决定最终结果。这也是我最近越来越想研究这类器件的原因。高端设备里面真正有意思的往往不是那些大家一眼就能看到的“大东西”。而是那些很小、很便宜、很容易被忽略但一旦选错就会让工程师调试很久的器件。04但真正麻烦的是磁珠并不是加得越多越好看到这里很容易得到一个结论既然高频噪声这么麻烦那以后电源线上多放几颗磁珠不就行了吗恰恰不是。这也是磁珠最容易被误解的地方。比如一颗磁珠规格写着600Ω 100MHz它真正告诉你的只是在指定测试条件下它在100MHz附近有这样的阻抗水平。但你的噪声可能不是100MHz。可能在1MHz。可能在10MHz。也可能分布在更宽的频率范围。所以选磁珠真正应该先问的不是“我要600Ω还是1000Ω”而是“我到底想处理哪个频率范围里的什么噪声”事情还没结束。磁珠串在电源线上以后本身又要承受直流电流。随着直流偏置增加一些磁珠的电感和实际阻抗会明显下降滤波效果也可能随之变化。也就是说规格书上看起来很漂亮装到真实电路里不一定还是那个效果。更反常识的是磁珠经常和去耦电容一起使用。一个有感性。一个有容性。如果两者组合不合适还可能产生不希望出现的谐振峰。结果就会变成原本是为了消灭噪声最后却在某个频率附近把噪声放大了。Analog Devices专门测试过直流偏置和磁珠电容网络的影响实际工作电流可能让磁珠的有效阻抗明显下降而设计不当的磁珠与高Q电容组合也确实可能产生谐振峰。亚德诺半导体所以真正成熟的工程师面对噪声问题时通常不会第一句话就问“这里放哪颗磁珠”而是先把问题倒过来噪声在哪里↓频率是多少↓从哪条路径进来的↓影响了哪个敏感节点↓最后才决定怎么处理。可能需要磁珠。也可能需要电容、LDO、屏蔽、接地或者重新做PCB布局。磁珠只是解决问题的一种工具不是噪声世界里的万能药。一套压电平台真正做到纳米级靠的从来不只是一块压电陶瓷。当设备精度不断提高以后机械、传感器、驱动器、电源、PCB、控制算法……会越来越紧密地绑在一起。过去我们讨论压电驱动器经常问它能不能动再往后会问它能不能精准地动而真正进入纳米级以后问题可能最终变成它停下来以后能不能真正安静如果你也在关注压电驱动、精密运动控制、磁性器件以及半导体设备中的关键元器件欢迎一起交流。我是孙一鸣原厂专注于电感、磁珠、滤波器、变压器、功分器及压电叠层陶瓷元件持续关注高端设备中的关键器件应用欢迎行业朋友交流。