使用合適的高電壓運算放大器安全、高效地控制和放大高電壓

在很多應用中，由於輸入信號性質或輸出負載特徵的要求，需要運算放大器在高電壓範圍內（60 V 至 100 V 以上）工作。這些應用包括噴墨印表機和 3D 印表機中的壓電驅動器、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 60 V，設計人員就會面臨嚴格的穩壓要求。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，市面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、穩定地滿足系統設計目標。本文將介紹高電壓運算放大器 (>100 V) 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。發燒友公眾號回復資料可以免費獲取電子資料一份記得留郵箱地址。

為何需要高電壓？

使用高電壓運算放大器的典型應用數量和類型繁多。其中大多數應用需要高電壓，而且在將低壓輸入信號放大到增益倍數時，還需要精確控制。在多數情況下，這些信號不是高壓開/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：

• 噴墨印表機中的壓電驅動器、超聲波變送器和精密流量控制閥
• 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) 成像系統的高強度雷射二極體
• 生成電場，常用於生物醫學流體測試

很多這樣的系統（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 100 mA），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制和提供所需的電壓，而不是管理產生的熱量。

例如，100 mA 時輸出為 100 V 的運算放大器可滿足 10 W 的中等輸出功率要求（加上內部損耗功率，後者通常佔比 20% 至 30%）。儘管該示例明顯不屬於「微功率」，但也無需注意熱管理，因為 10 W 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面，設計人員面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

高電壓運算放大器與傳統放大器有所不同。一般來說，放大器以某種電壓與電流的組合提供功率增益，並且通常輸出給阻性負載。反觀運算放大器則是配置為向負載提供額定最大電流的同時提高電壓。此外，運算放大器還可以配置為固定增益或可調增益，除了「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 工藝的最大電壓限制約為 50 V。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電晶體，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電晶體來提供 ±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電晶體，來利用運算放大器的輸入特性；這種設計可輸出 ±120 V 電壓。（圖片來源：Analog Devices）

儘管這種方法奏效，但它的缺點是，與只使用 IC 相比，BOM 更加複雜且昂貴，而且還有無法避免的布局問題。此外，另一個挑戰是實現並保持正負輸出擺幅的對稱性，同時最大限度地減小過零失真。造成這些問題的原因通常是元器件不匹配（主要是 NPN 和 PNP 電晶體）以及物理布局不平衡。

要選擇合適的高電壓運算放大器，首先要評估與其他所有運算放大器類似的參數，當然具體的數值將有所不同。由於高電壓運算放大器產品相對較少，因此這一過程比較簡單。設計考慮因素主要包括以下三個方面：

1. 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
2. 其他考慮因素有壓擺率和負載類型的限制，以及溫度引起的漂移誤差，這些誤差會顯示在輸出波形中
3. 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

克服限制因素

設計人員必須評估市面上有哪些高電壓運算放大器，不僅能夠滿足上述第一條中的強制性標準，而且具有滿足要求的低誤差規格，還能夠提供足夠的內置保護，或者可以搭配限流器件等外部保護措施。

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，有時市面上「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、輸出電流能力不足，或者因過熱引起的漂移。設計人員需要決定是選擇其他具有不同缺點的運算放大器，還是選擇最好的一種，然後擴展其性能。

下面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 ±110 V 雙對稱電源、非對稱電源或 +220 V 單電源供電，並且輸出電壓可達 ±12 V 至 ±110 V，同時電流可高達 20 mA。

170 分貝 (dB) 的開環增益 (AOL) 是該器件高性能表現的一個關鍵因素。該器件能夠輕鬆驅動中等容性負載，但隨著負載電容增大，傳遞函數的極點將發生偏移，從而導致輸出峰值，並且可能因相位裕度降低而出現不穩定情況。

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 1 μF 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、±110 V 供電電壓及 VOUT = 100 Vp-p 時，最大峰值為 2 dB 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 2 dB 也是過大的負載峰值，ADHV4702-1 還支持外部補償，可在補償引腳與接地之間接入電容器。通過正確選擇電阻器和電容器，可以確保容性負載的穩定性，並在整個帶寬範圍內具有幾乎平坦的響應（圖 4）。

圖 4：在單位增益、±110 V 供電電壓、VOUT = 100 Vp-p、Rf = 0 Ω 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 10 V 至 100 V 的單一電源分別提供 ±5 V 至 ±50 V 的輸出。這是 ADHV4702-1 額定輸出電壓值的一半（100 V 對 200 V），但其電流驅動能力是後者的兩倍以上（50 mA 對 20 mA）。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，而不只是作為基本增益單元。放大器 A2 是從放大器，可以只有一個，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電晶體提高輸出電流，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電晶體。這樣甚至可獲得更大的輸出電流。在本例中，這些電晶體可將輸出電流提高至 1 安培以上。（圖片來源：Texas Instruments）

使用所示的電晶體，該配置可提供 1 安培以上的電流。然而，與使用多個 OPA454 運算放大器不同，補償電晶體對可能無法提供所需的無失真性和線性度。如果需要這麼大的電流，而且使用電晶體是首選解決方案，則需要使用匹配的補償 PNP/NPN 電晶體對。

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，只有 ±1.6 μV/°C（典型值）和 ±10 μV/°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 0.05 μV/°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）

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。

耗散極限不是靜態輸出功率的單變量函數，它還受工作頻率和壓擺率的影響，這可能導致輸出級過熱。因此，對於任何此類驅動器，研究安全工作區域 (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 20 V，供電電壓為 ±110 伏。（圖片來源：Analog Devices）

動態 SOA 也是要關注的方面。ADHV4702-1 採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 加裝外部二極體可限制差分輸入電壓（圖 9）。

圖 9：在 ADHV4702-1 輸入端接入外部二極體，可通過限制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，但會限制壓擺率和大信號帶寬，從而限制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體，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 對內部電路限制過多。例如，Apex Microtechnology 的 PA52 是一款高電壓、高功率放大器，可以 50 V/µs 壓擺率在 200 V 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 圖是系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，設計人員通常會想在輸出端與負載之間加裝外部高壓側電流檢測電阻器，以測量輸出電流，進而估算功率。要選擇此電阻器的型號，必須權衡高電阻值與低電阻值。較高的電阻值可帶來較大的信號和更高的信噪比 (SNR)，而較低的電阻值能儘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 100 mV，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。

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 60 V 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。

此外，布局還必須滿足針對元器件和電路板印製線的最小爬電距離和淨空尺寸法規要求，以免發生電弧放電和飛弧現象。這些尺寸由電壓和預期工作環境決定（潮溼、充滿灰塵，還是清潔、乾燥）。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）以及由二極體和電容器組成的倍壓器電路來構建。然而，在高壓供電設計中有很多實際問題，例如如何確保這些無源器件具有合適的額定電壓。

甚至供電位置也是個問題。在只有低壓供電（大約幾十伏或更低）的應用中，一種可取的做法是將低壓電線連接到位於高電壓運算放大器附近的阻斷倍壓器。但是，低壓時會產生額外的電流消耗，即在這些電線中生成更大的電流-電阻 (IR) 壓降和 I2R 功率損耗，而這一缺陷可能會超過隔離帶來的優點。另一種方法是遠距離連接高壓線路，這樣可以降低損耗，但會增加安全性和法規限制。

自建還是購買

無論布置方式如何，除非設計團隊知識淵博且經驗豐富，否則最好選擇購買高壓電源，而不是自行嘗試設計和構建。這種電源涉及的問題很多，要獲得認證也比較困難。電源不僅僅是把輸入電壓轉換為所需的輸出電壓，還必須：

• 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

市面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（57 毫米 (mm) × 28.5 mm × 12.7 mm），使用 15 伏直流電源供電，50 mA 時輸出 200 V (±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，50 mA 時輸出 ±100 V，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系統中必不可少，包括儀表、醫療、物理、壓電變送器、雷射二極體等系統。雖然設計人員可以使用與這些系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制。

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