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AG01P-5+LT1055+PB64+DRV8662:如何在单一设计中组合高、低压

2018-04-12 15:25更新
  • 低电压、高电压

虽然人们往往非常重视降低电压以降低功耗,但设计人员通常需要在同一设计中同时使用低电压和高电压。这提出了三个挑战:开发更高电压的直流电轨;提供更高电压模拟放大器/驱动器功能;并满足高压系统的相关安全和监管要求。

低电压,低于5V的操作的优点很多,包括更低的功耗,更低的热量损失,更高的集成电路功能密度,更长的运行时间和更长的使用寿命。但有许多应用需要更高的电压,达到数百伏特或更高。压电马达,触觉设备,打印头驱动器,专用传感器和科学仪器等应用需要较高的电压,但通常在适度的电流下达到几百毫安(mA)。

其结果是一种将低电压电路与更高电压混合的系统设计,使设计人员能够管理相关挑战。

本文将结合关于如何生成更高电压轨和提供所需模拟驱动器的理论与实际解决方案示例,然后讨论满足监管和安全要求。

提供高压轨道

为了提供高压直流电轨,设计人员可以设计和开发高压电源,也可以购买高压电源。原则上,开发高电压电源,特别是低电流电源并不困难。有两种经典的方法:

如果只有低压直流电源可用,设计人员可以实现基于为此目的而设计的升压模式DC / DC开关稳压器的电路。

如果交流线路可用,则可以使用一个或多个倍压电路(图1)。

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图1:一个基本的倍压电路使用二极管和电容器在两倍的峰值电压下将120 VAC(RMS)(峰值电压为170 VAC)变换为DC。 

一个基本倍频器将交流电的峰值转换成两倍于该值的直流电压。倍增器可提供的电流量是电容器大小的函数,因此较高的电流需要较高的电容。请注意,这些电容器需要特殊的高压单元,因为标准的低压单元会失效甚至可能爆炸。

尽管升压模式倍压器方法都可以工作,但两者都有相同的问题:它们处理高电压,因此设计人员必须谨慎处理布局,电弧放电以及用户安全和法规标准。

由于这些原因,许多工程师更喜欢使用市售的高压电源,例如XP Power的EMCO系列AG01P-5(图2)。这款印刷电路板安装的小尺寸单元的外形为0.128英寸(3.25毫米(mm)),体积小于0.100立方英寸(1639立方毫米)。电源采用0.7伏和5伏之间的直流电源供电,但在10毫安时提供100伏电压。作为额外的优势,它被隔离到500伏特,这在许多情况下对于正确的系统操作和用户/设备安全是必需的。

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图2:来自XP Power的微型EMCO系列AG01P-5 DC / DC转换器采用0.7伏至5伏的直流电源,并在10毫安时产生100伏直流电;它还包括500伏的隔离。 

对于需要更高电压或电流的应用,XP Power和其他供应商提供的基本单元可以提供几百甚至几千伏特的数百毫安的电压。有些采用直流电源供电,而许多采用交流电源供电。通过使用来自可靠供应商的标准的现成高压电源,所有与供应有关的技术性能和监管问题都得到有效解决。因此,设计人员可以专注于如何将电源的高电压输出路由到其供电的电路。

当然,有些情况下OEM设计的高压电源是有意义的,或者是唯一的选择。例子包括大批量应用,其中BOM可能具有成本优势;标准电源不需要电压/电流配对;系统具有独特的空间限制或需要具有不寻常外形因素的供应;或者OEM已经拥有高压电源设计和实施方面的专业知识。但是,对于大多数工程师来说,满足技术要求的组合,选择和采购不寻常的组件以及管理监管问题使高压电源的设计成为一项艰巨的任务。

提供模拟驱动器

一旦设置了电源导轨,下一个决定就是如何提供负载所需的高压模拟放大。请注意,在偏压和类似电路要求的情况下,只需要静态直流电压,但不需要高电压时的动态可控放大信号。对于这些情况,只需要供应(可能是可调节的)。

设计人员可以选择三种方法来实现高压运算放大器功能。第一种方法是使用标准低压运算放大器,但在输出端添加了升压晶体管(图3)。这具有将低电压输出摆幅转换到更宽,更高电压范围的效果。在这里,ADI公司的LT1055精密高速运算放大器被用作放大器内核,通过三对PNP / NPN晶体管将输出提升至双极±125伏轨对轨跨度。

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图3:生产更高电压运算放大器输出的一种方法是在基本器件(如LT1055)上添加互补升压晶体管,以充分利用运算放大器的输入特性。 

这种方法是可行的,可以完成这项工作,但它需要大量额外的有源和无源分立元件。此外,选择的NPN / PNP晶体管类型必须与增益,摆率和其他参数(取决于具体参数)的类似或互补规格匹配,以确保双极性操作的对称性。因此,小心Spice或类似的设计建模是必要的,包括组件容差的影响。

第二种选择是使用固有设计用于高电压操作的运算放大器。虽然由于半导体工艺限制,这些通常不是单片部件,但它们被封装在一个小模块中,并作为单个组件被“插入”。这些器件通常与一个主要用作信号缓冲器的较小的低压运算放大器结合使用。

其中一个例子是Apex Microtechnology的PB64双高压升压放大器。设计用于通过小信号通用运算放大器(图4)提供电压和电流增益,它采用12引脚电气隔离的SIP封装,尺寸为1.2英寸(31毫米)×0.8英寸(20毫米)× 0.27英寸(7毫米),不包括通孔引脚。典型应用包括科学仪器以及功率半导体和LED / LCD阵列的测试,

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图4:虽然它不是单片集成电路,但Apex Technology的PB64高压放大器等器件与低电压器件一样易于集成。 

PB64的最大输出电压为±75伏特,因此它不像前面讨论的分立解决方案那么高,但它有两个相对的优点。 当与缓冲器一起使用时,它只需要一些非关键的无源元件,并且可以提供高达±2 A的功率,这是相当大的功率(图5)。

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图5:在大多数应用中,高电压PB64放大器与标准运算放大器一起用作输入缓冲器,以确保一致的输入信号场景和负载。 

在检查数据表时,请查找关键的静态和动态性能特征,如安全操作区域(SOA)和脉冲响应(图6)。 采用先前的设计方法开发等效数据和规格是耗时且更困难的。

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图6:PB64高压放大器的脉冲响应。 

当然,各种高压应用需要电压和电流的不同组合。 对于诸如触觉压电传感器等应用,所需电压可能比Apex单元可提供的电压高,但电流需求要低得多。 对于这些情况,建立在高电压过程上但功耗要低得多的IC可能是一个可行的选择。

例如,由于集成了升压转换器,德州仪器(TI)的DRV8662压电式触觉驱动器可以将电源的正负电压摆动到±200伏特,进入100纳法拉(nF)负载(并且会做更高的容性负载,但摆动减少) 3.0到5.5伏特(图7)。

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图7:德州仪器(TI)的DRV8662 IC主要针对触觉设计的驱动压电致动器的小众应用,使用其内部升压DC转换器,通过单位数电压源提供高达±200 V的容性负载。

该IC仅需要少量外部无源器件,并支持4个通过GPIO控制的28.8 dB,34.8 dB,38.4 dB和40.7 dB增益。 尽管其额定电压为±200 V,但它采用4 mm×4 mm×0.9 mm的小型QFN封装,非常适合需要尺寸的便携式应用,可用直流电压仅为几伏。 在压电传感器作为执行器的基本触觉应用中,驱动信号可以由数模转换器(DAC)设置,数模转换器又由处理器控制(图8)。

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图8:除了用作基本的模拟高压驱动器之外,DRV8662还包括四个用户选择的增益值来设置所需的输出范围。 

标准,监管任务:一个重大问题

与低压设计不同的是,用户和系统安全的行业和政府标准很少,或者没有政府标准,高压世界就被他们包围。根据世界各地和最终应用,具体标准将有所不同,但一般来说,50至60伏特的设计几乎没有或没有限制(这是电话系统安装在仍然使用的48伏电压轨上的原因之一)。许多标准制定组织都是UL,IRC和IPC。

然而,随着电压越来越高,对设计物理布局的日益严格的要求以及对设计的电气故障模式及其机械结构的关注成为主要问题。大多数监管标准都侧重于电压水平,而不是电流水平,因为电压是电路和用户的主要风险来源。它们紧密对齐电气(电压)和机械设计考虑。

这些安全标准着重于许多问题,其中包括:

  • 内部安排是否允许电弧或闪络,甚至可能燃烧材料?
  • 机械或包装故障(冲击后的应力开裂或裂纹)是否会使用户面临不安全的潜在危险?
  • 用户可以访问更高的内部电压吗?

标准定义了不同电压等级下“爬电距离和间隙”的最小尺寸(图9)。爬电距离是指沿印制板表面测得的印刷电路板上两个暴露点之间的距离,间隙是指通过空气测量的两个导电部分之间的最短距离。随着电压的增加,最小距离也增加。

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图9:蠕变和间隙是影响高压电路和系统布局和机械设计的主要考虑因素;基本的最小尺寸只是一个起点,是电压和其他因素的函数。 

但是,爬电距离和间隙最小值远远超过“电压与距离”的简单表格。这些标准要求对电路工作环境(灰尘,湿气和其他颗粒),所用材料和其他因素进行调整;它变得相当复杂和混乱,所以花时间研究标准和任何相关的指导方针。

不符合相关标准的设计将不会获得关键认证。当然,移动印刷电路板上的裸露点或部分甚至毫米以满足要求通常很困难,并且可能会对设计产生不愉快的连锁反应。

因此,在工作人员身上配备高压标准专家或使用可在早期评估和指导项目的顾问来避免代价高昂且耗时的电气和机械重新设计和重新测试是非常重要的。

决定

决定使用哪种方法来开发更高电压 - 升压晶体管,混合模块或IC--是许多因素的函数。首先,选定的方法是否可以支持顶层参数,如电压,电流,摆率等等?其次,仅仅从电子角度来看,该团队在设计和验证高压模拟放大器设计方面的技能是什么?第三,设计团队能够识别和理解相关的监管标准及其对设计的影响吗?

讨论的选项和解决方案可以提供更高电压和电流的各种组合。但是,除了基本的电路设计之外,还有许多外部布局和布局问题必须在早期阶段予以解决。这些问题也将影响最终选择的高压放大器方法。

结论

虽然在较低电压下工作具有许多优点,但通常需要将低压和高压电路组合在一起。如图所示,如果在仔细关注产品选择和实施的情况下采取正确的方法,并遵守完善的标准,则可以成功安全完成。


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