如何制作電壓可調(diào)的高壓偏置模塊？

許多儀器和檢測設(shè)備如射線、超聲、APD 等，在工作中都需要高壓偏置電源。根據(jù)探測器的不同，需要的偏置電壓有正有負(fù)，其電壓從幾十伏至數(shù)百伏，而驅(qū)動(dòng)能力一般在幾個(gè) mA 到幾十 mA。目前市場上廣為采用的方法是以變壓器形式作為升壓電路，將電源升高至相應(yīng)數(shù)值的高壓，為相應(yīng)的設(shè)備或者儀器提供偏置高壓。

由于變壓器是電路的核心器件，而變壓器又是線圈及骨架的結(jié)構(gòu)，其包括上千圈的線圈，體積較大且質(zhì)量重，無法應(yīng)用于體積較小的設(shè)備，如輻射劑量儀、便攜式設(shè)備、可穿戴設(shè)備等。本文將為大家介紹使用 ADI 的 LT8331 器件，解決以上顧慮，方便快捷地實(shí)現(xiàn)高壓偏置。

高壓偏置電路技術(shù)方案

高壓偏置模塊的升壓部分采用 ADI 的 LT8331 芯片，該芯片特點(diǎn)如下：

可升壓 / SEPIC / 負(fù)輸出

4.5V 至 100V 輸入電壓范圍，內(nèi)部集成功率開關(guān)管 (0.5A、140V)

100kHz 至 500kHz 可編程的開關(guān)頻率，可編程的欠壓閉鎖 (UVLO) 等

同系列產(chǎn)品 LT833X，LT836X 等，如下表 (表1) 所示。

表1 高壓偏置內(nèi)部開關(guān)選型簡表

高壓 ±120V 輸出方案

為快速展示效果，本文基于 LT8331 芯片且使用 LTspice 仿真工具，設(shè)計(jì)一款輸入電壓 12V, ＋120V 或－120V 高壓偏置電路。200K 開關(guān)頻率、VIN = 12V、VOUT = 120V 升壓轉(zhuǎn)換電路，如下圖 (圖1) 所示：

圖1 200K開關(guān)頻率 VIN=12V/VOUT=120V 升壓轉(zhuǎn)換電路

200K 開關(guān)頻率、VIN = 12V、VOUT = -120V 升壓轉(zhuǎn)換電路，如下圖 (圖2) 所示：

圖2 200K開關(guān)頻率 VIN=12V/VOUT=-120V 升壓轉(zhuǎn)換電路

LTspice 是一款由 ADI 推出的高性能 SPICE 仿真器軟件，如需了解軟件下載、入門指南、以及具體的設(shè)計(jì)仿真攻略等，請查閱《活學(xué)活用 LTspice 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)系列合集》。

實(shí)現(xiàn)電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)

在實(shí)際運(yùn)用中，高壓偏置的器件如 APD 等熱阻的原因，為保證儀器儀表的精度，需要高壓偏置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)。如下圖 (圖3) 所示，V2 用于產(chǎn)生控制電壓，運(yùn)算放大器 LTC6084 用于提供增益。其中 V2 可以使用電位器或 DAC；V2 如為雙極性時(shí)，對應(yīng)運(yùn)算放大器使用雙極性供電。

圖3 電壓可調(diào)電路圖

基爾霍夫電流/電壓定律

以下介紹兩種計(jì)算方法，KCL 法和 KVL 法，KCL 為基爾霍夫電流定律，KVL 為基爾霍夫電壓定律。

基爾霍夫電流定律

計(jì)算方法 1：KCL 法，VFB 點(diǎn)電流流入流出相等。

A1 + A2 = A3 ---- ①
A1 = (VDAC1-VFB) / R6 --- ②
A2 = (VOUT-VFB) / R1 --- ③
A3 = VFB / R5 --- ④
VDAC1 = VDAC = 2V --- ⑤
VFB = -0.8V --- ⑥

VFB 電壓：＋輸出時(shí) VFB 為 1.6V ，－輸出時(shí) VFB 為 -0.8V，計(jì)算得 VOUT = 148.2V

基爾霍夫電壓定律

計(jì)算方法 2：KVL 法，VOUT1 為 R1，R5 反饋回路，DAC 回路斷開；VOUT2 為 DAC 與 R5 作用反饋回路，R5 斷開，A1 = -A2。

VOUT = VOUT1 + VOUT2 --- ①
VOUT1 = VFB * (R1 + R5) / R5 ---- ②= -120.2V
VOUT2 / R1 = (VFB - VADC) / R6 ---③ *注 A1= -A2。
VOUT2 = (VFB - VADC) *R1 / R6= -28V

VOUT1 與 VOUT2 代入式 ①，得 VOUT = 148.2V。如下圖 (圖4) 所示，LTspice 仿真結(jié)果與計(jì)算相符。

圖4 V2 設(shè)為 2V 功能仿真圖

通過比較以上兩種計(jì)算方法，可以看出第二種計(jì)算方法更容易發(fā)現(xiàn)，VOUT1 設(shè)定固定后，通過控制 V2 的電壓實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，即在 VOUT1 上疊加 VOUT2。另外，高壓偏置電路在實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)探測器工作時(shí)長、發(fā)熱導(dǎo)致內(nèi)阻的變化、實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)電壓，已達(dá)測試設(shè)備最佳的測試精度。

電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

考慮驅(qū)動(dòng)能力，輸出功率 = 輸入功率 X 轉(zhuǎn)化效率。LT8331 為 0.5A 功率開關(guān)管，例如輸入電壓 24V，即輸入功率為 12W，輸出為 120V，效率為 70，那么輸出驅(qū)動(dòng)能力 7mA。如需更高偏置電壓，則輸出端得增加多級倍壓電路，如下圖 (圖5) 所示：

圖5 六倍壓電路

總結(jié)

本文介紹使用 ADI 的 LT8331 器件，它具有高壓偏置，外圍電路簡單，使用靈活等優(yōu)勢，解決體積大、質(zhì)量重、節(jié)約開發(fā)周期長等問題。

審核編輯：湯梓紅