電子設計 發表於 2019-03-19 08:18:00
雖然人們更傾向於通過降低電壓來減少功耗，但設計人員往往需要在同一設計中採用低壓和高壓電路。這就提出了三大挑戰：開發更高電壓的直流電軌；提供更高電壓的模擬放大器/驅動器功能；以及滿足更高電壓系統的相關安全和法規要求。
低於 5 V 的低壓操作優點很多，包括更低的功耗、更低的發熱損耗、更高的 IC 功能密度、更長的運行時間和更長的壽命。但有許多應用需要數百伏乃至更高的電壓。壓電電機、觸覺設備、列印頭驅動器、專用傳感器和科學儀器等應用都需要更高的電壓，但其電流往往處在中等水平，最高不過幾百毫安 (mA)。
因此，如果系統採用低壓電路與高壓電路混合的設計，設計人員便能從容地應對相關挑戰。
本文將理論與實際解決方案示例相結合，說明如何生成高壓電軌並提供所需的模擬驅動器，最後討論如何滿足法規和安全要求。
提供高壓電軌
要提供高壓直流電軌，設計人員可以設計和開發高壓電源，也可以購買高壓電源。理論上，開發高壓電源，尤其是小電流高壓電源，並不困難。有兩種傳統的方法：
如果僅提供低壓直流電源，設計人員可基於為此目的而設計的升壓模式 DC/DC 開關穩壓器來實施電路。
如果提供了交流線路，則可以使用一個或多個倍壓電路（圖 1）。
圖 1：基本倍壓電路使用多個二極體和電容，將 120 VAC(RMS)（峰值電壓為 170 VAC）的交流電轉換為兩倍峰值電壓的直流電。（圖片來源：Lewis Loflin，Bristol Watch）
基本倍增器將交流電壓峰值轉換為兩倍於該值的直流電壓。倍增器可提供的電流量依賴於電容器的大小，因此更大的電流需要更高的電容。請注意，這些電容器必須是特殊的高壓裝置，否則，標準的低壓電容器將會失效甚至可能爆炸。
雖然升壓模式或電壓倍增器的方法均可行，但兩者都存在同樣的問題：由於它們處理的都是高電壓，因此設計人員必須在布局、電弧放電、用戶安全和監管標準方面小心謹慎。
出於以上原因，許多工程師更喜歡使用市售的高壓電源，例如 XP Power 的 EMCO 系列 AG01P-5（圖 2）。這種安裝在印刷電路板上的小型裝置的厚度僅為 3.25 毫米 (mm)（0.128 英寸），體積小於 1639 立方毫米（0.100 立方英寸）。該電源採用 0.7 V 至 5 V 直流電源供電，但在 10 mA 下可提供 100 V 電壓。它還有一項額外優勢，即具有 500 V 的電位隔離能力，這在許多要求確保正確的系統操作和用戶/設備安全性的情況下是必需的。
圖 2：XP Power 的微型 EMCO 系列 AG01P-5 DC/DC 轉換器採用 0.7 V 至 5 V 直流電源，在 10 mA 時可產生 100 V 直流電；同時還包括 500 V 的隔離能力。（圖片來源：XP Power）
對於需要更高電壓或更大電流的應用，XP Power 和其他供應商提供的基本單元可以在數百 mA 的電流下提供數百甚至數千伏的電壓。一些應用採用直流電軌供電，另一些則採用交流線路供電。通過使用可靠供應商提供的現成的標準高壓電源，可以有效地解決電源的所有技術性能和監管問題。這樣，設計人員便可以專注於如何將電源的高壓輸出傳輸到用電電路。
當然，有些情況下，OEM 設計的高壓電源是合理的，或者是唯一的選擇。例如，一些大批量應用的 BOM 可能極具成本效益；標準電源不需要電壓/電流配對；系統具有獨特的空間限制或需要具有非常規外形尺寸的電源；或者 OEM 已擁有高壓電源設計和實施方面的專業知識。然而，對大多數工程師而言，既要滿足技術要求、選擇和採購非常規組件，還要應對各種監管問題，這使得高壓電源的設計成為一項艱巨的任務。
提供模擬驅動器
一旦確定採購何種電源軌，下一步就是決定如何提供負載所需的高壓模擬放大。請注意，某些情況下，使用靜態直流電壓便能滿足偏置和類似的電路要求，而不需要高電壓下動態、可控的放大信號。這類情況下，只需一個電源（可能可調節）便足矣。
設計人員可選擇三種方式來實施高壓運算放大器功能。第一種方式是使用標準的低壓運算放大器，但在輸出端增加升壓電晶體（圖 3）。這樣做的效果是將低電壓輸出擺幅轉換為更寬、更高的電壓範圍。在這裡，Analog Devices LT1055 的高速精密運算放大器被用作放大器的內核，並通過三對 PNP/NPN 電晶體將輸出提升至雙極 ±125 V 軌至軌範圍。
圖 3：要產生更高電壓的運算放大器輸出，一種方法是向基本器件（如 LT1055）添加互補升壓電晶體，以便利用運算放大器的輸入特性。（圖片來源：Analog Devices）
此方法可行且有效，但需要大量額外的有源和無源分立元器件。此外，所選的 NPN/PNP 電晶體類型必須與增益、壓擺和其他參數（取決於具體參數）的相似或互補規格相匹配，以確保雙極操作的對稱性。因此，有必要對設計進行細緻的 Spice 或類似建模，包括元器件公差的影響。
第二個選項是使用本身專為高電壓操作而設計的運算放大器。雖然由於半導體工藝的限制，這些運算放大器通常不是單片零件，但它們被封裝在一個小模塊中，並且作為單一元器件「置入」設計。這些器件通常搭配主要用作信號緩衝器的更小低壓運算放大器使用。
例如 Apex Microtechnology 的 PB64 雙高壓升壓放大器。此器件通過小信號通用運算放大器提供電壓和電流增益（圖 4），採用 12 引腳電氣隔離 SIP 外殼，尺寸為 31 毫米（1.2 英寸）× 20 毫米（0.8 英寸）× 7 毫米（0.27 英寸）（不含通孔引腳）。典型應用包括科學儀器以及功率半導體和 LED/LCD 陣列的測試。
圖 4：雖然它不是單片 IC，但是諸如 Apex Technology 的 PB64 高壓放大器這類器件與低壓器件一樣易於集成。（圖片來源：Apex Microtechnology）
PB64 的最大輸出電壓為 ±75 V，低於之前討論的分立式解決方案，但它有兩項相對優勢。在搭配緩衝器使用時，它只需幾個非關鍵的無源元器件，便能提供高達 ±2 A 的電流，而這意味著相當可觀的功率（圖 5）。
圖 5：在大多數應用中，將 PB64 高壓放大器與標準運算放大器一起用作輸入緩衝器，可以確保一致的輸入信號場景和負載。（圖片來源：Apex Microtechnology）
在檢查規格書時，查看關鍵的靜態和動態性能特點，例如安全工作區 (SOA) 和脈衝響應（圖 6）。使用先前的設計方法開發等效的數據和規格不僅非常耗時，而且難度更大。
圖 6：PB64 高壓放大器的脈衝響應。（圖片來源：Apex Microtechnology）
當然，各種高壓應用需要不同的電壓和電流組合。對於觸覺壓電變送器這類應用，所需的電壓可能高於 Apex 裝置所能提供的電壓，但電流需求要低得多。針對這類情況，一種可行的選擇是使用基於高電壓工藝構建但功耗低得多的 IC。
例如，憑藉集成的升壓轉換器，Texas Instruments DRV8662 壓電觸覺驅動器可通過僅 3.0 至 5.5 V 的電源，將高達 ±200 V 的電壓擺動至 100 納法拉 (nF) 的負載（如果減小擺幅，甚至可以擺動至更高的容性負載）（圖 7）。
圖 7：Texas Instruments 的 DRV8662 IC 主要面向用於觸覺設計的壓電式驅動致動器細分市場應用，可使用內部升壓直流轉換器，通過一位數的電壓源為容性負載提供高達 ±200 V 的電壓。（圖片來源：Texas Instruments）
該 IC 僅需少量幾個外部無源元器件，並支持四種 GPIO 控制增益（分別為 28.8 dB、34.8 dB、38.4 dB 和 40.7 dB）。儘管具有 ±200 V 的額定電壓，但它採用的是 4 mm × 4 mm × 0.9 mm 微型 QFN 封裝，非常適合尺寸較小且僅可提供幾伏直流電壓軌的可攜式應用。在使用壓電變送器作為致動器的基本觸覺應用中，驅動信號可由數模轉換器 (DAC) 設定，進而由處理器進行控制（圖 8）。
圖 8：除了用作基本模擬高壓驅動器之外，DRV8662 還包括四個用戶選擇的增益值，用於設置所需的輸出範圍。（圖片來源：Texas Instruments）
標準、監管要求：這是一個重大問題
在低電壓設計領域，針對用戶和系統安全的行業和政府標準很少甚至沒有，但高電壓設計領域則不同，存在大量約束性標準。根據所在的全球區域和最終應用，具體標準會有所不同，但一般而言，電壓低於 50 至 60 V 的設計面臨的限制很少甚至沒有（這也是電話系統仍舊使用 48 V 電壓軌的原因之一）。在眾多的標準制定組織中，最為人所知的包括 UL、IRC 和 IPC。
然而，隨著電壓越來越高，對設計的物理布局要求日益嚴格，同時對設計的電氣故障模式及其機械結構的關注也越來越多，這些都已成為重要的問題。大多數監管標準都很重視電壓電平，而不是電流，因為電壓才是電路和用戶的主要風險來源。它們與電氣（電壓）和機械設計考慮因素緊密相關。
這些安全標準高度關注多個問題，包括：
內部布局是否容許電弧放電或飛弧，甚至可能的材料燃燒？
機械或封裝失效（應力裂紋或撞擊後的裂紋）是否會使用戶暴露於危險的電位？
用戶是否會接觸到更高的內部電壓？
標準中定義了不同電壓水平下的最小「爬電距離和間隙」尺寸（圖 9）。爬電距離是沿電路板表面測量的印刷電路板上兩個暴露點之間的間隔，而間隙是指穿過空氣測量的兩個導電零件之間的最短距離。隨著電壓的增加，最小距離也會增大。
圖 9：爬電距離和間隙是影響高壓電路和系統布局及機械設計的主要考慮因素；而基本最小尺寸只是一個起點，而且依賴於電壓和其他因素。（圖片來源：PCB 設計技術指南）
然而，最小爬電距離和間隙值遠不止「電壓與距離」表那麼簡單。這些標準要求對電路運行環境（灰塵、溼氣和其他顆粒物）、使用的材料和其他因素進行調整；此過程相當複雜且容易混淆，因此請花些時間研究標準和任何相關指南。
不符合相關標準的設計將不會獲得關鍵認證。當然，一般來說，即使在印刷電路板上將暴露點或零件移動一毫米以滿足要求，難度也會很大，而且可能會對設計產生不佳的連鎖反應。
因此，務必僱傭一位精通高電壓標準的專家或者能夠在早期階段提供項目評估和指導的顧問，以避免昂貴且耗時的電氣和機械重新設計及重新測試。
做出決策
使用哪種方法來開發更高電壓的升壓電晶體、混合模塊或 IC，取決於多種因素。首先，所選的方法能否支持電壓、電流、壓擺率等頂級參數？其次，僅從電子的角度來看，團隊在高壓模擬放大器的設計和鑑定方面擁有哪種技能？第三，設計團隊能否確定並理解相關監管標準及其對設計的影響？
以上討論的選項和解決方案可以提供多種更高電壓和更大電流的組合。但在早期階段，除了基本電路設計之外，還必須解決許多外部布局和放置問題。這些問題也會影響最終選擇的高壓放大器方法。
結論
雖然在較低電壓下工作具有許多優點，但經常存在需要組合低壓和高壓電路的需求。如本文所述，如果採取正確的方法並仔細關注產品的選擇和實施，同時嚴格遵循既定標準，便能成功、安全地滿足這類需求。
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