如何在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高低壓電路的設(shè)計(jì)

雖然人們更傾向于通過降低電壓來減少功耗，但設(shè)計(jì)人員往往需要在同一設(shè)計(jì)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(dòng)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(diǎn)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(yùn)行時(shí)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(dòng)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(jì)，設(shè)計(jì)人員便能從容地應(yīng)對相關(guān)挑戰(zhàn)。

本文將理論與實(shí)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(dòng)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(jì)人員可以設(shè)計(jì)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(jì)人員可基于為此目的而設(shè)計(jì)的升壓模式 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器來實(shí)施電路。

如果提供了交流線路，則可以使用一個(gè)或多個(gè)倍壓電路（圖 1）。

圖 1：基本倍壓電路使用多個(gè)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。（圖片來源：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(huì)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(jì)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(xiàng)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(shí)可產(chǎn)生 100 V 直流電；同時(shí)還包括 500 V 的隔離能力。（圖片來源：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(jì)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(jì)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(dú)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(jì)和實(shí)施方面的專業(yè)知識(shí)。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(jì)成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

提供模擬驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)、可控的放大信號(hào)。這類情況下，只需一個(gè)電源（可能可調(diào)節(jié)）便足矣。

設(shè)計(jì)人員可選擇三種方式來實(shí)施高壓運(yùn)算放大器功能。第一種方式是使用標(biāo)準(zhǔn)的低壓運(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器輸出，一種方法是向基本器件（如 LT1055）添加互補(bǔ)升壓晶體管，以便利用運(yùn)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 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(bǔ)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(jì)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(gè)選項(xiàng)是使用本身專為高電壓操作而設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器。雖然由于半導(dǎo)體工藝的限制，這些運(yùn)算放大器通常不是單片零件，但它們被封裝在一個(gè)小模塊中，并且作為單一元器件“置入”設(shè)計(jì)。這些器件通常搭配主要用作信號(hào)緩沖器的更小低壓運(yùn)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(hào)通用運(yùn)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。（圖片來源：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(xiàng)相對優(yōu)勢。在搭配緩沖器使用時(shí)，它只需幾個(gè)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(yùn)算放大器一起用作輸入緩沖器，可以確保一致的輸入信號(hào)場景和負(fù)載。（圖片來源：Apex Microtechnology）

在檢查規(guī)格書時(shí)，查看關(guān)鍵的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能特點(diǎn)，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(jì)方法開發(fā)等效的數(shù)據(jù)和規(guī)格不僅非常耗時(shí)，而且難度更大。

圖 6：PB64 高壓放大器的脈沖響應(yīng)。（圖片來源：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(dòng)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(dòng)至 100 納法拉 (nF) 的負(fù)載（如果減小擺幅，甚至可以擺動(dòng)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(jì)的壓電式驅(qū)動(dòng)致動(dòng)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。（圖片來源：Texas Instruments）

該 IC 僅需少量幾個(gè)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(dòng)器的基本觸覺應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)器之外，DRV8662 還包括四個(gè)用戶選擇的增益值，用于設(shè)置所需的輸出范圍。（圖片來源：Texas Instruments）

標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)管要求：這是一個(gè)重大問題

在低電壓設(shè)計(jì)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(jì)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(huì)有所不同，但一般而言，電壓低于 50 至 60 V 的設(shè)計(jì)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(jì)的物理布局要求日益嚴(yán)格，同時(shí)對設(shè)計(jì)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?yàn)殡妷翰攀请娐泛陀脩舻闹饕L(fēng)險(xiǎn)來源。它們與電氣（電壓）和機(jī)械設(shè)計(jì)考慮因素緊密相關(guān)。

這些安全標(biāo)準(zhǔn)高度關(guān)注多個(gè)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(huì)使用戶暴露于危險(xiǎn)的電位？

用戶是否會(huì)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(gè)暴露點(diǎn)之間的間隔，而間隙是指穿過空氣測量的兩個(gè)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(huì)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(jì)的主要考慮因素；而基本最小尺寸只是一個(gè)起點(diǎn)，而且依賴于電壓和其他因素。（圖片來源：PCB 設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)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(jì)將不會(huì)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(diǎn)或零件移動(dòng)一毫米以滿足要求，難度也會(huì)很大，而且可能會(huì)對設(shè)計(jì)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(xiàng)目評估和指導(dǎo)的顧問，以避免昂貴且耗時(shí)的電氣和機(jī)械重新設(shè)計(jì)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(jí)參數(shù)？其次，僅從電子的角度來看，團(tuán)隊(duì)在高壓模擬放大器的設(shè)計(jì)和鑒定方面擁有哪種技能？第三，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能否確定并理解相關(guān)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)及其對設(shè)計(jì)的影響？

以上討論的選項(xiàng)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(jì)之外，還必須解決許多外部布局和放置問題。這些問題也會(huì)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(diǎn)，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(shí)施，同時(shí)嚴(yán)格遵循既定標(biāo)準(zhǔn)，便能成功、安全地滿足這類需求。