高壓運放選型應用要注意哪些“坑”?
發布時間:2019-08-29 責任編輯:xueqi
【導讀】本文詳細介紹了高電壓運算放大器的應用場景、器件選型,以及設計應用過程中的需要考慮的製約因素,並且討論了在工作電壓大於100伏時存在的性能、熱管理、法規和安全問題,為高電壓運算放大器應用選型提供全麵的技術指南。
高電壓運算放大器在60V至100V以上的電子係統應用中必不可少,這些應用包括儀表、醫療、物理、壓電變送器、激光二極管等係統。
摘要
本文詳細介紹了高電壓運算放大器的應用場景、器件選型,以及設計應用過程中的需要考慮的製約因素,並且討論了在工作電壓大於100伏時存在的性能、熱管理、法規和安全問題,為高電壓運算放大器應用選型提供全麵的技術指南。
在很多應用中,由於輸入信號性質或輸出負載特征的要求,需要運算放大器在高電壓範圍內(60V至100V以上)工作。這些應用包括噴墨打印機和3D打印機中的壓電驅動器、超聲波變送器及其他醫療器械、ATE驅動器和電場源。
此類運算放大器與常規的運算放大器有所不同,因為它們必須滿足非阻性(感性或容性)負載的壓擺率要求,需要精確調節的電源,而且一旦電壓超過60V,設計人員就會麵臨嚴格的穩壓要求。此外,根據應用的不同,可能還會出現大電流,導致熱管理問題。
為了解決這些問題,市麵上售有基於特殊工藝的標準單片式和混合式高電壓運算放大器。然而,在對這些運算放大器進行選擇、設計導入和布局時,需要有特殊的考慮,以便安全、穩定地滿足係統設計目標。本文將介紹高電壓運算放大器 (>100V) 獨特卻極為常見的應用,以及如何成功地應用這類運算放大器。
為何需要高電壓?
使shi用yong高gao電dian壓ya運yun算suan放fang大da器qi的de典dian型xing應ying用yong數shu量liang和he類lei型xing繁fan多duo。其qi中zhong大da多duo數shu應ying用yong需xu要yao高gao電dian壓ya,而er且qie在zai將jiang低di壓ya輸shu入ru信xin號hao放fang大da到dao增zeng益yi倍bei數shu時shi,還hai需xu要yao精jing確que控kong製zhi。在zai多duo數shu情qing況kuang下xia,這zhe些xie信xin號hao不bu是shi高gao壓ya開kai/關信號,因而需要使用線性放大器,而不是更簡單的高壓開關。其中某些應用往往要求實現雙極輸出,包括:
噴墨打印機中的壓電驅動器、超聲波變送器和精密流量控製閥
自動測試設備 (ATE) 驅動器,用於完全驅動其他IC、混合器件和模塊
蓋革計數器等科學儀器
汽車光檢測和測距 (LiDAR) 成像係統的高強度激光二極管
生成電場,常用於生物醫學流體測試
很多這樣的係統(至少部分地)在較高的電壓範圍內工作,但電流介於小、中水平(10至100mA),因此算不上通常意義的“高功率”。因此,設計的重點更多強調控製和提供所需的電壓,而不是管理產生的熱量。
例如,100mA時輸出為100V的運算放大器可滿足10W的中等輸出功率要求(加上內部損耗功率,後者通常占比20%至30%)。盡管該示例明顯不屬於“微功率”,但也無需注意熱管理,因為10W的功率大部分都輸出給負載,而不是由電子元器件所耗散。然而,散熱仍然是設計時始終要考慮的一個因素。
更多的問題則出現在通過運算放大器放大電壓方麵,設計人員麵臨的一些普遍問題包括:
運算放大器的選擇和應用
優化高壓器件的性能
為運算放大器提供DC高壓軌,可能與負載電源是同一條
確保高電壓安全性,滿足布局和結構的法規要求
運算放大器的選擇和應用
gaodianyayunsuanfangdaqiyuchuantongfangdaqiyousuobutong。yibanlaishuo,fangdaqiyimouzhongdianyayudianliudezuhetigonggonglvzengyi,bingqietongchangshuchugeizuxingfuzai。fanguanyunsuanfangdaqizeshipeizhiweixiangfuzaitigongedingzuidadianliudetongshitigaodianya。ciwai,yunsuanfangdaqihaikeyipeizhiweigudingzengyihuoketiaozengyi,chule“簡單”的電壓增益模塊外,還可用於各種拓撲。
過去,像運算放大器之類線性功能的大多數IC工藝的最大電壓限製約為50V。為了構建高電壓運算放大器,設計人員在輸出端加裝了外部分立高壓晶體管,以用作升壓器。在圖1所示的的電路中,使用了Analog Devices的LT1055精密JFET運算放大器並搭配補償升壓晶體管來提供±120 V電壓。

圖1:為了提升運算放大器的電壓輸出,一種方法是為Analog Devices的LT1055等基本器件加裝補償升壓晶體管,來利用運算放大器的輸入特性;這種設計可輸出±120V電壓。(圖片來源:Analog Devices)
盡管這種方法奏效,但它的缺點是,與隻使用IC相比,BOM更(geng)加(jia)複(fu)雜(za)且(qie)昂(ang)貴(gui),而(er)且(qie)還(hai)有(you)無(wu)法(fa)避(bi)免(mian)的(de)布(bu)局(ju)問(wen)題(ti)。此(ci)外(wai),另(ling)一(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)實(shi)現(xian)並(bing)保(bao)持(chi)正(zheng)負(fu)輸(shu)出(chu)擺(bai)幅(fu)的(de)對(dui)稱(cheng)性(xing),同(tong)時(shi)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)小(xiao)過(guo)零(ling)失(shi)真(zhen)。造(zao)成(cheng)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)的(de)原(yuan)因(yin)通(tong)常(chang)是(shi)元(yuan)器(qi)件(jian)不(bu)匹(pi)配(pei)(主要是NPN和PNP晶體管)以及物理布局不平衡。
要yao選xuan擇ze合he適shi的de高gao電dian壓ya運yun算suan放fang大da器qi,首shou先xian要yao評ping估gu與yu其qi他ta所suo有you運yun算suan放fang大da器qi類lei似si的de參can數shu,當dang然ran具ju體ti的de數shu值zhi將jiang有you所suo不bu同tong。由you於yu高gao電dian壓ya運yun算suan放fang大da器qi產chan品pin相xiang對dui較jiao少shao,因yin此ci這zhe一yi過guo程cheng比bi較jiao簡jian單dan。設she計ji考kao慮lv因yin素su主zhu要yao包bao括kuo以yi下xia三san個ge方fang麵mian:
最重要的因素包括:輸出電壓、輸出電流、帶寬、壓擺率,以及單極與雙極的性能對比
其他考慮因素有壓擺率和負載類型的限製,以及溫度引起的漂移誤差,這些誤差會顯示在輸出波形中
最後,還有避免熱過載、電流過大等其他影響所有放大器的問題
如何克服製約因素?
設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)評(ping)估(gu)市(shi)麵(mian)上(shang)有(you)哪(na)些(xie)高(gao)電(dian)壓(ya)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi),不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)滿(man)足(zu)上(shang)述(shu)第(di)一(yi)條(tiao)中(zhong)的(de)強(qiang)製(zhi)性(xing)標(biao)準(zhun),而(er)且(qie)具(ju)有(you)滿(man)足(zu)要(yao)求(qiu)的(de)低(di)誤(wu)差(cha)規(gui)格(ge),還(hai)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)足(zu)夠(gou)的(de)內(nei)置(zhi)保(bao)護(hu),或(huo)者(zhe)可(ke)以(yi)搭(da)配(pei)限(xian)流(liu)器(qi)件(jian)等(deng)外(wai)部(bu)保(bao)護(hu)措(cuo)施(shi)。
要使器件性能幾乎滿足所有要求,需要有良好的判斷力。例如,有時市麵上“最好”的運算放大器也會存在某種欠缺,比如驅動容性負載時不穩定、輸shu出chu電dian流liu能neng力li不bu足zu,或huo者zhe因yin過guo熱re引yin起qi的de漂piao移yi。設she計ji人ren員yuan需xu要yao決jue定ding是shi選xuan擇ze其qi他ta具ju有you不bu同tong缺que點dian的de運yun算suan放fang大da器qi,還hai是shi選xuan擇ze最zui好hao的de一yi種zhong,然ran後hou擴kuo展zhan其qi性xing能neng。
下麵的示例說明了這種兩難境地:
容性負載:
Analog Devices的ADHV4702-1是一款高電壓精密運算放大器(圖2)。該器件可以使用±110V雙對稱電源、非對稱電源或+220V單電源供電,並且輸出電壓可達±12V至±110V,同時電流可高達20mA。
170分貝 (dB) 的開環增益 (AOL) 是(shi)該(gai)器(qi)件(jian)高(gao)性(xing)能(neng)表(biao)現(xian)的(de)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。該(gai)器(qi)件(jian)能(neng)夠(gou)輕(qing)鬆(song)驅(qu)動(dong)中(zhong)等(deng)容(rong)性(xing)負(fu)載(zai),但(dan)隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)電(dian)容(rong)增(zeng)大(da),傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)的(de)極(ji)點(dian)將(jiang)發(fa)生(sheng)偏(pian)移(yi),從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)輸(shu)出(chu)峰(feng)值(zhi),並(bing)且(qie)可(ke)能(neng)因(yin)相(xiang)位(wei)裕(yu)度(du)降(jiang)低(di)而(er)出(chu)現(xian)不(bu)穩(wen)定(ding)情(qing)況(kuang)。
為解決這一問題,運算放大器設計人員提出了一種解決方案:在放大器輸出端與CLoad引腳之間加裝串聯電阻器,使器件能夠驅動大於1微法 (µF) 的負載(圖2)

圖2:在放大器輸出端與CLOAD之間接入串聯電阻器 (RS),將使ADHV4702-1能夠驅動大於1μF的容性負載。(圖片來源:Analog Devices)
不過,加裝此電阻器可能導致中等負載峰值(圖 3)

圖3:圖2中的電路在單位增益、±110V供電電壓及VOUT = 100Vp-p時,最大峰值為2dB對應的RS與CLOAD關係曲線圖。(圖片來源:Analog Devices)
如果對於應用而言,即使2dB也是過大的負載峰值,ADHV4702-1haizhichiwaibubuchang,kezaibuchangyinjiaoyujiedizhijianjierudianrongqi。tongguozhengquexuanzedianzuqihedianrongqi,keyiquebaorongxingfuzaidewendingxing,bingzaizhenggedaikuanfanweineijuyoujihupingtandexiangying(圖4)。

圖4:在單位增益、±110V供電電壓、VOUT = 100Vp-p、Rf = 0Ω 及 CCOMP = 5.6皮法 (pF) 時,ADHV4702-1的小信號頻率響應與外部補償的關係曲線圖。(圖片來源:Analog Devices)
更高輸出電流驅動能力:
Texas Instruments的OPA454AIDDAR運算放大器能從10V至 100V的單一電源分別提供±5V至±50V的輸出。這是ADHV4702-1額定輸出電壓值的一半(100V對200V),但其電流驅動能力是後者的兩倍以上(50mA對20mA)。即便具有更大的拉/灌電流,但對於某些負載而言可能仍不夠,尤其是當負載包含並聯的小負載時。
兩種方法可用於解決OPA454的這一問題。
第一種方法是將兩個(或更多)OPA454AIDDAR並聯(圖5)

圖5:將兩個OPA454AIDDAR運算放大器並聯,可線性提升輸出電流能力。(圖片來源:Texas Instruments)
放大器A1用作主放大器,可以進行任何運算放大器配置,而不隻是作為基本增益單元。放大器A2是從放大器,可以隻有一個,也可以有多個。該放大器配置為單位增益緩衝器,用於在增加額外驅動電流的同時跟蹤A1的輸出。
另一種方法是使用外部晶體管提高輸出電流,這種方法可以比使用單個放大器或多個從放大器獲得更大的電流(圖6)。

圖6:並聯OPA454器件的替代方法是使用外部輸出晶體管。這樣甚至可獲得更大的輸出電流。在本例中,這些晶體管可將輸出電流提高至1安培以上。(圖片來源:Texas Instruments)
使用所示的晶體管,該配置可提供1安培以上的電流。然而,與使用多個OPA454運yun算suan放fang大da器qi不bu同tong,補bu償chang晶jing體ti管guan對dui可ke能neng無wu法fa提ti供gong所suo需xu的de無wu失shi真zhen性xing和he線xian性xing度du。如ru果guo需xu要yao這zhe麼me大da的de電dian流liu,而er且qie使shi用yong晶jing體ti管guan是shi首shou選xuan解jie決jue方fang案an,則ze需xu要yao使shi用yong匹pi配pei的de補bu償changPNP/NPN晶體管對。
溫度係數和漂移:
與所有模擬元器件一樣,溫度係數也會影響運算放大器的性能和精度,而且輸入失調溫度漂移 (dVOS/dT) 將出現在放大後的輸出中。對於 OPA454,在 –40°C至+85°C的額定環境溫度範圍內,dVOS/dT規格很低,隻有±1.6μV/°C(典型值)和±10μV/°C(最大值)。
如果此數值仍然太大,可以在高壓OPA454之前加裝一個所謂的“零漂移”運算放大器作為前置放大器,以減少整體漂移(圖7)。使用Texas Instruments的OPA735作為零漂移前置放大器,可使高壓放大器的第一級溫度係數漂移保持在0.05μV/°C(最大值),減縮因數為200。

圖7:在OPA454的輸入路徑中加裝近零漂移運算放大器OPA735,會生成一個輸入失調溫度漂移非常低的兩級高壓電路。(圖片來源:Texas Instruments)
考慮發熱問題和熱保護
即使電流水平可能為中等,但是根據公式“功率 = 電壓 × 電流”,由於高壓造成的內部耗散可能仍然是一個問題。因此熱建模至關重要,首先從基本結溫計算公式著手:
TJ = TA + (PD × ΘJA)
其中TJ表示結溫,TA表示環境溫度,PD表示功率耗散,ΘJA表示結到環境的封裝熱阻。最後一項由安裝技術和環境決定,包括散熱、氣流和印刷電路板的銅。
認識到發熱情況的存在及其重要性後,OPA454和ADHV4702-1等IC集成了熱關斷電路。例如,器件內部溫度達到150°C時,OPA454的熱關斷電路可在輸出進入高阻抗狀態的情況下觸發自動熱關斷。此後該器件一直保持熱關斷狀態,直到溫度下降到130°C,此時IC會重新上電。這種滯後效應可防止輸出在熱限值附近發生開/關震蕩。
haosanjixianbushijingtaishuchugonglvdedanbianlianghanshu,tahaishougongzuopinlvheyabailvdeyingxiang,zhekenengdaozhishuchujiguore。yinci,duiyurenhecileiqudongqi,yanjiuanquangongzuoquyu (SOA) 曲線圖都至關重要。讓我們首先從ADHV4702-1的靜態SOA開始(圖8)。

圖8:研究安全工作區域 (SOA) 曲線圖至關重要。ADHV4702-1的DC SOA由曲線下方的區域表示,曲線對應的環境溫度分別為25°C和85°C,增益為20V,供電電壓為±110伏。(圖片來源:Analog Devices)
動態SOA也是要關注的方麵。ADHV4702-1采用了內部壓擺率升壓電路來實現19兆赫 (MHz) 小信號帶寬和74伏/微秒 (µs) 的壓擺率,但這種升壓電路可能會消耗大電流,具體取決於信號。為此,使用ADHV4702-1加裝外部二極管可限製差分輸入電壓(圖9)。

圖9:在ADHV4702-1輸入端接入外部二極管,可通過限製該器件的差分輸入電壓,保護其不受升壓電路大電流產生的熱效應影響。(圖片來源:Analog Devices)
這樣可以在動態工作時保護放大器,但會限製壓擺率和大信號帶寬,從而限製壓擺率升壓電路產生的電流,並減少內部功率耗散(圖10)。

圖10:動態SOA曲線圖,環境溫度為25°C和85°C,使用或不使用箝位二極管,其他條件與靜態SOA相同。(圖片來源:Analog Devices)
並非所有的高壓驅動器都具有熱保護功能,因為寬SOA對內部電路限製過多。例如,Apex Microtechnology的PA52是一款高電壓、高功率放大器,可以50V/µs壓擺率在200V的單極或雙極電壓擺幅範圍內,提供最大40安培(連續)/80安培(峰值)的電流。由於耗散水平可能相當高,因此該器件的SOA圖是係統設計中的一個關鍵元素,覆蓋直流模式和脈衝模式(圖11)。

圖11:像Apex Microtechnology的PA52這樣的高電壓 (±100 V)、高電流(80/40安培)放大器的SOA變化範圍較廣,具體取決於器件在穩態模式還是脈衝模式下工作。(圖片來源:Apex Microtechnology)
對於PA52,設she計ji人ren員yuan通tong常chang會hui想xiang在zai輸shu出chu端duan與yu負fu載zai之zhi間jian加jia裝zhuang外wai部bu高gao壓ya側ce電dian流liu檢jian測ce電dian阻zu器qi,以yi測ce量liang輸shu出chu電dian流liu,進jin而er估gu算suan功gong率lv。要yao選xuan擇ze此ci電dian阻zu器qi的de型xing號hao,必bi須xu權quan衡heng高gao電dian阻zu值zhi與yu低di電dian阻zu值zhi。較jiao高gao的de電dian阻zu值zhi可ke帶dai來lai較jiao大da的de信xin號hao和he更geng高gao的de信xin噪zao比bi (SNR),而較低的電阻值能盡量降低電阻器的自身耗散,但也會減小提供的輸出功率。
一個很好的著手點是,在最大負載電流時讓電阻器兩端的電壓為100mV,以此原則來選擇電阻值。此外,檢測電路必須與高共模電壓 (CMV) 相兼容。在多數情況下,還必須使用隔離檢測電路,原因有多種,包括:檢測到信號的完整性、保護電路其餘部分以及用戶安全。
不能忽視的供電和監管問題
考慮高壓放大器遠非原理圖和BOM那麼簡單,物理布局的細節也至關重要。對於工作電壓超過60V的電路,存在實現安全問題和標準(實際值取決於最終應用和所在的國家/地區)。對於這些高壓設計,用戶必須決定如何將高電壓與更安全的低電壓隔離。為此可能需要使用一種或多種機械方法,例如隔離柵、聯鎖、絕緣或間距。
此ci外wai,布bu局ju還hai必bi須xu滿man足zu針zhen對dui元yuan器qi件jian和he電dian路lu板ban印yin製zhi線xian的de最zui小xiao爬pa電dian距ju離li和he淨jing空kong尺chi寸cun法fa規gui要yao求qiu,以yi免mian發fa生sheng電dian弧hu放fang電dian和he飛fei弧hu現xian象xiang。這zhe些xie尺chi寸cun由you電dian壓ya和he預yu期qi工gong作zuo環huan境jing決jue定ding(潮濕、充滿灰塵,還是清潔、幹燥)。一種可取的做法是,聘請該領域的專家作為顧問,因為這些標準細節繁冗,而且正式的審批流程既要求分析設計布局、結構、尺寸和材料,還需要建立測試驗證模型。
在理論上,電壓由低到高的AC/DC或DC/DC供電比較簡單,可以結合使用全波整流器(用於AC)以(yi)及(ji)由(you)二(er)極(ji)管(guan)和(he)電(dian)容(rong)器(qi)組(zu)成(cheng)的(de)倍(bei)壓(ya)器(qi)電(dian)路(lu)來(lai)構(gou)建(jian)。然(ran)而(er),在(zai)高(gao)壓(ya)供(gong)電(dian)設(she)計(ji)中(zhong)有(you)很(hen)多(duo)實(shi)際(ji)問(wen)題(ti),例(li)如(ru)如(ru)何(he)確(que)保(bao)這(zhe)些(xie)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)具(ju)有(you)合(he)適(shi)的(de)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)。
甚至供電位置也是個問題。在隻有低壓供電(大約幾十伏或更低)的de應ying用yong中zhong,一yi種zhong可ke取qu的de做zuo法fa是shi將jiang低di壓ya電dian線xian連lian接jie到dao位wei於yu高gao電dian壓ya運yun算suan放fang大da器qi附fu近jin的de阻zu斷duan倍bei壓ya器qi。但dan是shi,低di壓ya時shi會hui產chan生sheng額e外wai的de電dian流liu消xiao耗hao,即ji在zai這zhe些xie電dian線xian中zhong生sheng成cheng更geng大da的de電dian流liu-電阻 (IR) 壓降和I2R功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao),而(er)這(zhe)一(yi)缺(que)陷(xian)可(ke)能(neng)會(hui)超(chao)過(guo)隔(ge)離(li)帶(dai)來(lai)的(de)優(you)點(dian)。另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)遠(yuan)距(ju)離(li)連(lian)接(jie)高(gao)壓(ya)線(xian)路(lu),這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)損(sun)耗(hao),但(dan)會(hui)增(zeng)加(jia)安(an)全(quan)性(xing)和(he)法(fa)規(gui)限(xian)製(zhi)。
決策:自建還是購買?
無wu論lun布bu置zhi方fang式shi如ru何he,除chu非fei設she計ji團tuan隊dui知zhi識shi淵yuan博bo且qie經jing驗yan豐feng富fu,否fou則ze最zui好hao選xuan擇ze購gou買mai高gao壓ya電dian源yuan,而er不bu是shi自zi行xing嚐chang試shi設she計ji和he構gou建jian。這zhe種zhong電dian源yuan涉she及ji的de問wen題ti很hen多duo,要yao獲huo得de認ren證zheng也ye比bi較jiao困kun難nan。電dian源yuan不bu僅jin僅jin是shi把ba輸shu入ru電dian壓ya轉zhuan換huan為wei所suo需xu的de輸shu出chu電dian壓ya,還hai必bi須xu:
精確而穩定
滿足波紋和瞬態性能目標
集成各種保護和關斷功能
符合EMI標準
此外,可能還必須進行電隔離
市麵上銷售的高壓電源有很多,從低電流型號到可提供數安培或更大電流的型號應有盡有。例如,由XP Power的EMCO高壓部門推出的FS02-15是一款安裝在印刷電路板上的隔離式高壓模塊(圖12)。該器件的尺寸為2.25英寸(長) × 1.1英寸(寬) × 0.5英寸(高)(57mm × 28.5 mm × 12.7 mm),使用15伏直流電源供電,50mA時輸出200V(±100 V)。該模塊滿足所有性能和法規要求,同時集成了全功能電源現有以及未來應有的標準功能。

圖12:像XP Power的FS02-15這樣的現成電源使用12伏電源軌供電,50mA時輸出±100V,避免了為高電壓運算放大器提供安全隔離式電源的相關設計和監管問題。(圖片來源:XP Power)
總 結
高電壓運算放大器在很多電子係統中必不可少,包括儀表、醫療、物理、壓電變送器、激光二極管等係統。雖然設計人員可以使用與這些係統電壓兼容的運算放大器,但考慮到運算放大器在工作電壓大於100伏時存在性能、熱管理、法規和安全問題,他們必須清楚這些放大器的屬性和限製。
小編的話
高電壓運算放大器,在龐大的運算運算放大器家族中隻能算是一個分支,因此平時我們對其的關注也並不多。但越是這樣“另類”的器件和應用,越容易成為我們研發道路上的“坑”,一yi不bu留liu神shen就jiu會hui摔shuai跟gen頭tou。本ben文wen作zuo者zhe,將jiang他ta所suo知zhi道dao的de高gao壓ya運yun放fang選xuan型xing和he應ying用yong中zhong的de種zhong種zhong難nan點dian和he製zhi約yue因yin素su都dou列lie舉ju了le出chu來lai,這zhe確que實shi為wei我wo們men提ti供gong了le一yi份fen難nan得de的de應ying用yong開kai發fa指zhi南nan。
原創: Bill Schweber 得捷電子DigiKey
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