如何在系統(tǒng)中實現(xiàn)高低壓電路的設(shè)計

雖然人們更傾向于通過降低電壓來減少功耗，但設(shè)計人員往往需要在同一設(shè)計中采用低壓和高壓電路。這就提出了三大挑戰(zhàn)：開發(fā)更高電壓的直流電軌;提供更高電壓的模擬放大器/驅(qū)動器功能;以及滿足更高電壓系統(tǒng)的相關(guān)安全和法規(guī)要求。

低于 5 V 的低壓操作優(yōu)點很多，包括更低的功耗、更低的發(fā)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(yīng)用需要數(shù)百伏乃至更高的電壓。壓電電機(jī)、觸覺設(shè)備、打印頭驅(qū)動器、專用傳感器和科學(xué)儀器等應(yīng)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(tǒng)采用低壓電路與高壓電路混合的設(shè)計，設(shè)計人員便能從容地應(yīng)對相關(guān)挑戰(zhàn)。

本文將理論與實際解決方案示例相結(jié)合，說明如何生成高壓電軌并提供所需的模擬驅(qū)動器，最后討論如何滿足法規(guī)和安全要求。

提供高壓電軌

要提供高壓直流電軌，設(shè)計人員可以設(shè)計和開發(fā)高壓電源，也可以購買高壓電源。理論上，開發(fā)高壓電源，尤其是小電流高壓電源，并不困難。有兩種傳統(tǒng)的方法：

如果僅提供低壓直流電源，設(shè)計人員可基于為此目的而設(shè)計的升壓模式 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)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管和電容，將 120 VAC(RMS)(峰值電壓為 170 VAC)的交流電轉(zhuǎn)換為兩倍峰值電壓的直流電。(圖片：Lewis Loflin，Bristol Watch)

基本倍增器將交流電壓峰值轉(zhuǎn)換為兩倍于該值的直流電壓。倍增器可提供的電流量依賴于電容器的大小，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(biāo)準(zhǔn)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：由于它們處理的都是高電壓，因此設(shè)計人員必須在布局、電弧放電、用戶安全和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)方面小心謹(jǐn)慎。

出于以上原因，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)，體積小于 1639 立方毫米(0.100 立方英寸)。該電源采用 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(yōu)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(tǒng)操作和用戶/設(shè)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(zhuǎn)換器采用 0.7 V 至 5 V 直流電源，在 10 mA 時可產(chǎn)生 100 V 直流電;同時還包括 500 V 的隔離能力。(圖片：XP Power)

對于需要更高電壓或更大電流的應(yīng)用，XP Power 和其他供應(yīng)商提供的基本單元可以在數(shù)百 mA 的電流下提供數(shù)百甚至數(shù)千伏的電壓。一些應(yīng)用采用直流電軌供電，另一些則采用交流線路供電。通過使用可靠供應(yīng)商提供的現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)高壓電源，可以有效地解決電源的所有技術(shù)性能和監(jiān)管問題。這樣，設(shè)計人員便可以專注于如何將電源的高壓輸出傳輸?shù)接秒婋娐贰?/p>

當(dāng)然，有些情況下，OEM 設(shè)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(yīng)用的 BOM 可能極具成本效益;標(biāo)準(zhǔn)電源不需要電壓/電流配對;系統(tǒng)具有獨特的空間限制或需要具有非常規(guī)外形尺寸的電源;或者 OEM 已擁有高壓電源設(shè)計和實施方面的專業(yè)知識。然而，對大多數(shù)工程師而言，既要滿足技術(shù)要求、選擇和采購非常規(guī)組件，還要應(yīng)對各種監(jiān)管問題，這使得高壓電源的設(shè)計成為一項艱巨的任務(wù)。

提供模擬驅(qū)動器

一旦確定采購何種電源軌，下一步就是決定如何提供負(fù)載所需的高壓模擬放大。請注意，某些情況下，使用靜態(tài)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(tài)、可控的放大信號。這類情況下，只需一個電源(可能可調(diào)節(jié))便足矣。

設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的低壓運算放大器，但在輸出端增加升壓晶體管(圖 3)。這樣做的效果是將低電壓輸出擺幅轉(zhuǎn)換為更寬、更高的電壓范圍。在這里，Analog Devices LT1055 的高速精密運算放大器被用作放大器的內(nèi)核，并通過三對 PNP/NPN 晶體管將輸出提升至雙極 ±125 V 軌至軌范圍。

圖 3：要產(chǎn)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)添加互補升壓晶體管，以便利用運算放大器的輸入特性。(圖片：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 晶體管類型必須與增益、壓擺和其他參數(shù)(取決于具體參數(shù))的相似或互補規(guī)格相匹配，以確保雙極操作的對稱性。因此，有必要對設(shè)計進(jìn)行細(xì)致的 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(shè)計的運算放大器。雖然由于半導(dǎo)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，并且作為單一元器件“置入”設(shè)計。這些器件通常搭配主要用作信號緩沖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)，采用 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(yīng)用包括科學(xué)儀器以及功率半導(dǎo)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于集成。(圖片：Apex Microtechnology)

PB64 的最大輸出電壓為 ±75 V，低于之前討論的分立式解決方案，但它有兩項相對優(yōu)勢。在搭配緩沖器使用時，它只需幾個非關(guān)鍵的無源元器件，便能提供高達(dá) ±2 A 的電流，而這意味著相當(dāng)可觀的功率(圖 5)。

圖 5：在大多數(shù)應(yīng)用中，將 PB64 高壓放大器與標(biāo)準(zhǔn)運算放大器一起用作輸入緩沖器，可以確保一致的輸入信號場景和負(fù)載。(圖片：Apex Microtechnology)

在檢查規(guī)格書時，查看關(guān)鍵的靜態(tài)和動態(tài)性能特點，例如安全工作區(qū) (SOA) 和脈沖響應(yīng)(圖 6)。使用先前的設(shè)計方法開發(fā)等效的數(shù)據(jù)和規(guī)格不僅非常耗時，而且難度更大。

圖 6：PB64 高壓放大器的脈沖響應(yīng)。(圖片：Apex Microtechnology)

當(dāng)然，各種高壓應(yīng)用需要不同的電壓和電流組合。對于觸覺壓電變送器這類應(yīng)用，所需的電壓可能高于 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于高電壓工藝構(gòu)建但功耗低得多的 IC。

例如，憑借集成的升壓轉(zhuǎn)換器，Texas Instruments DRV8662 壓電觸覺驅(qū)動器可通過僅 3.0 至 5.5 V 的電源，將高達(dá) ±200 V 的電壓擺動至 100 納法拉 (nF) 的負(fù)載(如果減小擺幅，甚至可以擺動至更高的容性負(fù)載)(圖 7)。

圖 7：Texas Instruments 的 DRV8662 IC 主要面向用于觸覺設(shè)計的壓電式驅(qū)動致動器細(xì)分市場應(yīng)用，可使用內(nèi)部升壓直流轉(zhuǎn)換器，通過一位數(shù)的電壓源為容性負(fù)載提供高達(dá) ±200 V 的電壓。(圖片：Texas Instruments)

該 IC 僅需少量幾個外部無源元器件，并支持四種 GPIO 控制增益(分別為 28.8 dB、34.8 dB、38.4 dB 和 40.7 dB)。盡管具有 ±200 V 的額定電壓，但它采用的是 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便攜式應(yīng)用。在使用壓電變送器作為致動器的基本觸覺應(yīng)用中，驅(qū)動信號可由數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 設(shè)定，進(jìn)而由處理器進(jìn)行控制(圖 8)。

圖 8：除了用作基本模擬高壓驅(qū)動器之外，DRV8662 還包括四個用戶選擇的增益值，用于設(shè)置所需的輸出范圍。(圖片：Texas Instruments)

標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)管要求：這是一個重大問題

在低電壓設(shè)計領(lǐng)域，針對用戶和系統(tǒng)安全的行業(yè)和政府標(biāo)準(zhǔn)很少甚至沒有，但高電壓設(shè)計領(lǐng)域則不同，存在大量約束性標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)所在的全球區(qū)域和最終應(yīng)用，具體標(biāo)準(zhǔn)會有所不同，但一般而言，電壓低于 50 至 60 V 的設(shè)計面臨的限制很少甚至沒有(這也是電話系統(tǒng)仍舊使用 48 V 電壓軌的原因之一)。在眾多的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計的物理布局要求日益嚴(yán)格，同時對設(shè)計的電氣故障模式及其機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)注也越來越多，這些都已成為重要的問題。大多數(shù)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險。它們與電氣(電壓)和機(jī)械設(shè)計考慮因素緊密相關(guān)。

這些安全標(biāo)準(zhǔn)高度關(guān)注多個問題，包括：

內(nèi)部布局是否容許電弧放電或飛弧，甚至可能的材料燃燒?

機(jī)械或封裝失效(應(yīng)力裂紋或撞擊后的裂紋)是否會使用戶暴露于危險的電位?

用戶是否會接觸到更高的內(nèi)部電壓?

標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(tǒng)布局及機(jī)械設(shè)計的主要考慮因素;而基本最小尺寸只是一個起點，而且依賴于電壓和其他因素。(圖片：PCB 設(shè)計技術(shù)指南)

然而，最小爬電距離和間隙值遠(yuǎn)不止“電壓與距離”表那么簡單。這些標(biāo)準(zhǔn)要求對電路運行環(huán)境(灰塵、濕氣和其他顆粒物)、使用的材料和其他因素進(jìn)行調(diào)整;此過程相當(dāng)復(fù)雜且容易混淆，因此請花些時間研究標(biāo)準(zhǔn)和任何相關(guān)指南。

不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計將不會獲得關(guān)鍵認(rèn)證。當(dāng)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(shè)計產(chǎn)生不佳的連鎖反應(yīng)。

因此，務(wù)必雇傭一位精通高電壓標(biāo)準(zhǔn)的專家或者能夠在早期階段提供項目評估和指導(dǎo)的顧問，以避免昂貴且耗時的電氣和機(jī)械重新設(shè)計及重新測試。

做出決策

使用哪種方法來開發(fā)更高電壓的升壓晶體管、混合模塊或 IC，取決于多種因素。首先，所選的方法能否支持電壓、電流、壓擺率等頂級參數(shù)?其次，僅從電子的角度來看，團(tuán)隊在高壓模擬放大器的設(shè)計和鑒定方面擁有哪種技能?第三，設(shè)計團(tuán)隊能否確定并理解相關(guān)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)及其對設(shè)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(shè)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(jié)論

雖然在較低電壓下工作具有許多優(yōu)點，但經(jīng)常存在需要組合低壓和高壓電路的需求。如本文所述，如果采取正確的方法并仔細(xì)關(guān)注產(chǎn)品的選擇和實施，同時嚴(yán)格遵循既定標(biāo)準(zhǔn)，便能成功、安全地滿足這類需求。