Low power driver for PZT MEMS actuators

The growing need for larger transduction forces to be applied by piezoelectric actuators in MEMS devices leads to the increase of their footprint, capacitance and voltage level. This is in trade-off with low power dissipation needs, and thus new driving circuits shall be conceived. In this thesis, a two-output, single-inductor, H-bridgebased driver is presented, with charge-recovery technique. The linear time-invariant (LTI) model is obtained using state-space averaging technique and linearization. The derived model is of utmost importance, so that a target driving waveform can be obtained on the piezoelectric actuators, depending on the duty cycle applied to the circuit switches. A state-space based control for an energy- recovery switching-driver is presented, considering its multivariable, non-linear and discontinuous nature. To track a large-dynamic reference (50-100 V, 100-200 Hz waveform), four driver working-modes and therefore plants are needed. For each, a triplet of LQR controllers is designed, linked through linear gainscheduling. A Discontinuity Handler is included to determine the correct instant of phase-change. The closed-loop system is implemented and tested through realistic behavioural models, tracking the sawtooth signal with 2.9mV RMS error for the 10%-90% of the full-scale. Finally, the driver core is implemented at transistor level. Dedicated level-shifter and gate-driving circuits are designed. Open-loop tests are carried out at different actuators voltage levels to determine the driver power consumption. Overall, to drive two 50 nF piezoelectric actuators with a 40 V peak, 120Hz sawtooth, typically used inMEMSmicromirrors, the energy dissipated is equal to 120μJ, which is 50% less than state of the art implementations, with a reduced number of external passive components.

La crescente necessità di applicare forze di trasduzione maggiori da parte degli attuatori piezoelettrici nei dispositivi MEMS porta all'aumento dell'area occupata, della dimensione dei condensatori e del livello di tensione. Ciò è in contrasto con le esigenze di bassa dissipazione di potenza, per cui è necessario concepire nuovi circuiti di pilotaggio. In questa tesi, viene presentato un driver a due uscite, a singolo induttore, con struttura a ponte-H e a recupero della carica. Il modello lineare tempo-invariante (LTI) è ottenuto utilizzando la tecnica di media state-space e la linearizzazione. Il modello derivato è di estrema importanza per ottenere una forma d'onda di pilotaggio mirata sugli attuatori piezoelettrici, a seconda del duty cycle applicato agli interruttori del circuito. Viene presentato un controllo, basato sullo spazio degli stati, per un driver a recupero di energia, considerando la sua natura multivariabile, non lineare e discontinua. Per seguire un riferimento dinamico di grandi dimensioni (50-100 V, forma d'onda a 100-200 Hz), sono necessarie quattro modalità di lavoro del driver e quindi quattro impianti. Per ciascuno di essi, viene progettata una tripletta di controllori LQR, collegati tra loro mediante linear gain scheduling. Una macchina a stati finiti è inclusa e utilizzata per determinare l'istante corretto di cambio di fase. Il sistema ad anello chiuso viene implementato e testato attraverso modelli comportamentali realistici, tracciando il segnale a dente di sega con un errore di 2,9 mV RMS per il 10%-90% del fondo scala. Infine, il core del driver è implementato transistor-level. Sono stati progettati circuiti dedicati per il level-shifter e il pilotaggio dei gate. Sono stati eseguiti test ad anello aperto a diversi livelli di tensione degli attuatori per determinare il consumo di potenza del driver. Complessivamente, per pilotare due attuatori piezoelettrici da 50 nF con picco di 40 V e dente di sega a 120 Hz, tipicamente utilizzati negli specchi MEMS, l'energia dissipata è pari a 120μJ, ovvero il 50% in meno rispetto alle implementazioni allo stato dell'arte, con un numero ridotto di componenti passivi esterni.