Styr og forstærk høje spændinger effektivt og sikkert med den rigtige op-amp til højspænding

Der er mange applikationer, der kræver operationsforstærkere (op-amp's), der kan fungere ved høje spændinger (over 60 V til 100 V) på grund af arten af deres indgangssignal eller karakteristika for udgangsbelastningen. Disse anvendelser omfatter piezo-drivere i inkjet- og 3D-printere samt ultralydstransducere og andre medicinske instrumenter, ATE-drivere og elektriske feltkilder.

Der er ikke tale om typiske op-amp's, da de skal opfylde kravene til slew-rate for ikke-resistive (induktive, kapacitive) belastninger, som kræver en stramt reguleret strømforsyning og når spændingerne kommer over 60 V, løber designeren ind i strenge og krævende reguleringskrav. Afhængigt af applikationen kan der også være høje strømme, hvilket medfører problemer med termisk styring.

For at løse disse problemer findes der standard monolitiske og hybride op-amp's til højspænding baseret på særlige processer. De kræver dog særlige overvejelser i forbindelse med valg, design og layout for konsekvent og sikkert at opfylde systemets designmål. Denne artikel vil se på brugen af op-amp's med højere spænding (>100 V) i deres unikke (men overraskende nok) almindelige anvendelser, og hvordan man anvender dem med succes.

Hvorfor er der behov for højspænding?

Der er mange repræsentative anvendelser for op-amp's til højspænding. De fleste af dem kræver både højere spændinger og præcis styring, da de udvikler den spændingsforstærkede version af deres indgangssignal med lavere spænding. I de fleste tilfælde er der ikke tale om on/off-signaler med højere spænding, så der er brug for en lineær forstærker i stedet for en enklere højspændingsafbryderfunktion. Nogle af disse applikationer, som ofte kræver en bipolær udgang, omfatter:

• Piezo-drivere i inkjetprintere, ultralydstransducere og præcise flowmålingsventiler
• Drivere til automatisk testudstyr (ATE), der bruges til at afprøve andre IC'er, hybride enheder og moduler fuldt ud
• Videnskabelige instrumenter som f.eks. geigertællere
• Højintensive laserdioder i billeddannelsessystemer til detektering af lys og afstandsmåling i biler (LiDAR)
• Skaber elektriske felter, der ofte anvendes i biomedicinske forsøg med væsker

Mange af disse systemer fungerer, i det mindste delvist, ved højere spændinger, men har lave til beskedne strømme (10 til 100 mA) og er derfor ikke "høj effekt" i den sædvanlige forstand. Som følge heraf er der ved konstruktionen mere fokus på at kontrollere og levere den nødvendige spænding end på at styre den genererede varme.

En op-amp, der f.eks. leverer 100 V ved 100 mA til en belastning, repræsenterer et beskedent behov på 10 W fra forsyningen (plus en vis ekstra effekt til interne tab, typisk 20-30 %). Selv om dette bestemt ikke er et "mikroeffekt"-scenarie, er det heller ikke nødvendigvis et termisk vanskeligt scenarie, da størstedelen af de 10 W går til belastningen og derfor ikke bortledes af de elektroniske komponenter. Alligevel er varmeafledning noget, der altid skal tages i betragtning, når man går til et design.

I forbindelse med højspændingsforstærkning via en op-amp er der nogle generelle problemer, som designeren står over for:

• Valg og anvendelse af en passende op-amp
• Optimering af højspændingsenhedens ydeevne
• Tilvejebringelse af DC-højspændingsskinner til op-amp'en, som kan være den samme som belastningens forsyning
• Sikring af højspændingssikkerhed og overholdelse af lovkrav i layout og konstruktion

Valg og anvendelse af op-amp

En op-amp til højspænding er ikke det samme som en traditionel forstærker. Generelt giver en forstærker effektforøgelse ved en kombination af spænding og strøm og normalt til en resistiv belastning. I modsætning hertil er en op-amp konfigureret til at øge spændingen og samtidig levere op til en bestemt maksimal strøm til belastningen. Endvidere kan op-amp'en konfigureres til fast eller justerbar forstærkning og anvendes i en række forskellige topologier ud over den "enkle" spændingsforstærkningsblok.

Historisk set var de fleste IC-processer, der anvendes til lineære funktioner som op-amp's, begrænset til et maksimum på omkring 50 V. For at skabe en op-amp's med højere spænding tilføjede designerne eksterne, diskrete højspændingstransistorer ved udgangen for at fungere som spændingsforstærkere. Brugen af Analog Devices' LT1055 præcision JFET-op-amp i et kredsløb med komplementære boostertransistorer til at levere ±120 V er vist (figur 1).

Figur 1: En metode til at producere op-amp-udgange med højere spænding er at tilføje komplementære booster-transistorer til en grundlæggende enhed som f.eks. Analog Devices LT1055 for at udnytte op-ampens indgangskarakteristika; dette design øger udgangen til ±120 V. (Billedkilde: Analog Devices)

Selv om dette fungerer, har det den ulempe, at det er mere kompliceret og dyrere end IC'et alene, og at der er uundgåelige layoutproblemer. Det er også en udfordring at opnå og opretholde symmetrisk ydeevne mellem de positive og negative udgangssvingninger og samtidig minimere forvrængning gennem nulpunktet. Disse problemer skyldes typisk fejlmatchede komponenter (primært NPN- og PNP-transistorer) og ubalance i det fysiske layout.

Valget af en op-amp til højspænding begynder med en evaluering af parametrene, der ligner dem for enhver op-amp, selv om de specifikke tal naturligvis vil være forskellige. Processen er noget forenklet, da der er relativt færre højspændingstilbud. Designovervejelserne omfatter tre hovedområder:

1. De vigtigste faktorer er udgangsspænding, udgangsstrøm, båndbredde, slew-rate og unipolar versus bipolar ydeevne
2. Andre bekymringer er begrænsninger i slew-rate og belastningstype samt temperaturrelaterede driftfejl, som kan vise sig i udgangsbølgeformen
3. Endelig er der spørgsmål om beskyttelse mod termisk overbelastning, overstrøm og andre spørgsmål, som påvirker alle forstærkere

Overvinde begrænsninger

Designere skal vurdere, hvilke tilgængelige op-amp's til der ikke blot opfylder de obligatoriske kriterier i nr. 1, men også har tilstrækkeligt lave fejlspecifikationer til at opfylde kravene, og som også har tilstrækkelig indbygget beskyttelse eller kan udstyres med ekstern beskyttelse som f.eks. strømbegrænsning.

Tilpasning af en enhed, der næsten opfylder alle krav, kræver god dømmekraft. F.eks. kan den "bedste" tilgængelige op-amp nogle gange stadig mangle en faktor, f.eks. ustabilitet ved drift af en kapacitiv belastning, tilstrækkelig udgangsstrømskapacitet eller overdreven temperaturrelateret drift. Designeren skal vælge mellem at finde en anden op-amp, som måske har en anden mangel, eller at tage den bedste og udvide ydeevnen.

Nogle eksempler illustrerer denne vanskelige situation:

Kapacitive belastninger: ADHV4702-1 fra Analog Devices er en Op-Amp til højspænding med præcision (figur 2). Enheden kan fungere fra to symmetriske forsyninger på ±110 V, asymmetriske forsyninger eller en enkelt forsyning på +220 volt og kan levere udgange fra ±12 V til ±110 V ved op til 20 mA.

Dennes 170 decibel (dB) open-loop gain (A_OL) er en nøglefaktor for dens høje ydeevne. Den kan nemt drive beskedne kapacitive belastninger, men efterhånden som belastningen øges, vil polerne i overførselsfunktionen forskydes, hvilket medfører, at den udviser udgangsspids og mulig ustabilitet på grund af reduceret fasemargin.

Op-amp-designerne fandt en løsning på dette problem. Ved at tilføje en seriemodstand mellem udgangen og C_Load-benet kan den drive belastninger på mere end 1 mikrofarad (µF) (Figur 2).

Figur 2: Ved at placere en seriemodstand (R_S) mellem forstærkerudgangen og C_LOAD kan ADHV4702-1 drive kapacitive belastninger på mere end 1 μF. (Billedkilde: Analog Devices)

Tilføjelse af denne modstand kan dog forårsage en beskeden belastningsspids (Figur 3).

Figur 3: R_S vs. C_LOAD for maksimal 2 dB-topping for kredsløbet i figur 2 ved unit gain, forsyningsspænding på ±110 V og V_OUT = 100 V_p-p. (Billedkilde: Analog Devices)

Hvis selv 2 dB er for stor belastningsspids for applikationen, understøtter ADHV4702-1 ekstern kompensation via en kondensator, der er placeret mellem kompensationspinden og jord. Ved korrekt valg af modstand og kondensator er det muligt at sikre stabilitet med kapacitive belastninger med næsten flad respons over hele båndbredden (figur 4).

Figur 4: Frekvensrespons med lille signal i forhold til ekstern kompensation for ADHV4702-1 ved unity gain, en forsyning på ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω og C_COMP = 5,6 picofarads (pF). (Billedkilde: Analog Devices)

Mere udgangsstrømstyring: Texas Instruments' OPA454AIDDAR op-amp leverer ±5 V til ±50 V fra en enkelt forsyning på henholdsvis 10 V til 100 V. Dette er halvdelen af udgangsspændingen i forhold til ADHV4702-1 (100 V mod 200 V), men den har >2 gange så stor strømstyrke (50 mA mod 20 mA). Denne mængde ekstra kilde/nedløbsstrøm er dog muligvis ikke tilstrækkelig for nogle belastninger, især hvis belastningen består af mindre parallelle belastninger.

Der er to muligheder, der løser dette problem for OPA454. For det første kan to (eller flere) OPA454AIDDAR'er tilsluttes parallelt (Figur 5).

Figur 5: Ved at placere to OPA454AIDDAR-op-amp's øges deres udgangsstrømskapacitet lineært. (Billedkilde: Texas Instruments)

Forstærker A1 fungerer som hovedforstærker og kan konfigureres til enhver op-amp-konfiguration, og ikke kun som en grundlæggende forstærkningsenhed. Forstærker A2, som kan være en enkelt eller flere, er en slave. Den er konfigureret som en unity-gain-buffer, der følger udgangen af A1, mens den tilføjer yderligere strøm til drevet.

Et alternativ til at opnå mere strøm, end en enkelt forstærker eller flere slaver kan levere, er at bruge eksterne udgangsstrømsforstærkere (Figur 6).

Figur 6: Et alternativ til at placere OPA454-enheder parallelt er at bruge eksterne udgangstransistorer. Dermed kan man opnå endnu højere udgangsstrøm. Her øger de udgangsstrømmen til mere end 1 ampere. (Billedkilde: Texas Instruments)

Med de viste transistorer kan konfigurationen levere over 1 ampere. I modsætning til brugen af yderligere OPA454-op-amp's kan det komplementære transistorpar imidlertid ikke give det nødvendige niveau af forvrængningsfri ydeevne og linearitet. Hvis der er behov for denne højere strømstyrke, og transistorer er den foretrukne løsning, kan det være nødvendigt med matchede komplementære PNP/NPN-transistorpar.

Temperaturkoefficient (tempco) og drift: Som med alle analoge komponenter påvirker tempco ydeevnen og nøjagtigheden, og temperaturdrift af indgangens offset (dV_OS/dT) bliver en del af det forstærkede output. For OPA454 er dV_OS/dT-specifikationen ret lav med ±1,6 μV/°C (typisk) og ±10 μV/°C (maksimalt) i det angivne omgivelsestemperaturområde fra -40°C til +85°C.

Hvis dette tal er for stort, vil tilføjelse af en såkaldt "nul-drift"-op-amp's som forforstærker foran højspændings-OPA454 reducere den samlede drift (figur 7). Med Texas Instruments OPA735, på plads som forforstærker med nul-drift, kan tempco-driften af højspændingsforstærkeren holdes på 0,05 μV/°C (maksimal) drift af første trin, hvilket giver en reduktionsfaktor på 200.

Figur 7: Tilføjelse af OPA735-op-amp'en med næsten nul-drift i indgangsstien til OPA454 resulterer i et totrins højspændingskredsløb med meget lav temperaturdrift af input-offset. (Billedkilde: Texas Instruments)

Termiske spørgsmål og beskyttelse

Selv om strømniveauerne kan være beskedne, kan den interne dissipation på grund af de højere spændinger være et problem, jf. ligningen effekt = spænding × strøm. Termisk modellering er vigtig, begyndende med den grundlæggende ligning for samlingstemperaturen: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), hvor T_J er forbindelsestemperaturen, T_A er omgivelsestemperaturen, P_D er effektdissipation og Θ_JA er den termiske modstand mod omgivelserne. Sidstnævnte bestemmes af monteringsteknikker og miljø, herunder varmeafledning, luftgennemstrømning og printpladekobber.

IC'er som OPA454 og ADHV4702-1 er opmærksomme på vigtigheden og tilstedeværelsen af genereret varme og indeholder derfor et kredsløb til termisk nedlukning. For eksempel udløser kredsløb i OPA454 automatisk termisk nedlukning, hvor udgangen går over til højimpedans, når den interne enhedstemperatur når 150 °C. Den forbliver i termisk nedlukning, indtil den er afkølet til 130 °C, hvorefter den starter igen. Denne hysterese forhindrer, at outputets tænd/sluk-svingning omkring en termisk grænse forhindrer en termisk svingning.

Tabsbegrænsninger er ikke kun en funktion af den statiske udgangseffekt, men påvirkes også af driftsfrekvens og slew-rate, hvilket kan resultere i overdreven opvarmning af udgangstrinene. Det er vigtigt at studere graferne for det sikre driftsområde (SOA) for et sådant drev og begynde med ADHV4702-1's statiske SOA (Figur 8).

Figur 8: Det er vigtigt at studere graferne for det sikre driftsområde (SOA). ADHV4702-1's DC SOA er repræsenteret ved arealet under kurverne ved omgivelsestemperaturer på 25⁰C og 85⁰C, med en forstærkning på 20 V og en forsyning på ±110 volt. (Billedkilde: Analog Devices)

Dynamisk SOA er også et problem. ADHV4702-1 er udstyret med et internt slew-rate boost-kredsløb for at opnå en båndbredde på 19 megahertz (MHz) for små signaler og en slew-rate på 74 V/mikrosekund (µs), men dette boost-kredsløb kan forbruge en større mængde strøm afhængigt af signalet. Derfor kan der anvendes eksterne dioder sammen med ADHV4702-1 for at begrænse den differentielle indgangsspænding (Figur 9).

Figur 9: Eksterne dioder på ADHV4702-1's indgang beskytter enheden mod de termiske virkninger af booster-kredsløbets høje strømstyrke ved at begrænse dens differentielle indgangsspænding. (Billedkilde: Analog Devices)

Dette beskytter forstærkeren i dynamisk drift, men begrænser slew-rate og stor signalbåndbredde og begrænser dermed den strøm, der produceres af slew boosting-kredsløbet, og reducerer den interne effektforbrug (Figur 10).

Figur 10: Dynamisk SOA ved omgivelsestemperaturer på 25 °C og 85 °C med og uden klemdioder under de samme betingelser som den statiske SOA. (Billedkilde: Analog Devices)

Ikke alle højspændingsdrivere omfatter termisk beskyttelse, da den brede SOA gør et internt kredsløb for restriktivt. PA52 fra Apex Microtechnology er f.eks. en højspændingsforstærker med høj effekt, der kan levere op til 40 ampere (kontinuerlig)/80 ampere (spids) ved en slew-rate på 50 V/µs over et unipolært eller bipolært spændingsudsving på 200 V. Da dissipationsniveauerne kan være så høje, er SOA-diagrammet for denne enhed et kritisk element i systemdesignet, der dækker både DC- og pulserende tilstande (Figur 11).

Figur 11: SOA for en højspændingsforstærker (±100 V) med høj strømstyrke (80/40 ampere), som f.eks. PA52 fra Apex Microtechnology, varierer over et bredt område afhængigt af, om den fungerer i stationær tilstand eller i pulserende tilstand. (Billedkilde: Apex Microtechnology)

For PA52 vil designere sandsynligvis ønske at tilføje en ekstern high-side strømfølervorstand mellem udgang og belastning for at måle udgangsstrømmen og dermed vurdere effekten. Dimensionering af denne modstand er altid en afvejning mellem en høj modstandsværdi og en lavere modstandsværdi. En højere modstand giver et større signal og et højere signal/støjforhold (SNR), mens en lavere modstand både minimerer modstandens selvafbrydelse og reducerer den leverede udgangseffekt.

Et godt udgangspunkt er at vælge modstandsværdien, så den spænding, der udvikles over den, er 100 mV ved maksimal belastningsstrøm. Det er også nødvendigt, at detekteringskredsløbet er kompatibelt med høje common-mode-spændinger (CMV). I de fleste tilfælde er det nødvendigt med et isoleret sensorkredsløb af flere grunde: integritet af det registrerede signal, beskyttelse af resten af kredsløbet og brugersikkerhed.

Forsyning og lovgivningsmæssige spørgsmål

En højspændingsforstærker er meget mere end blot et skema og en BOM, da detaljerne i det fysiske layout bliver kritiske. For kredsløb, der arbejder over ca. 60 V, er der implementeringssikkerhedsspørgsmål og standarder (den faktiske værdi afhænger af slutanvendelsen og land/region). For disse konstruktioner med højere spænding skal brugerne beslutte, hvordan de højere spændinger skal adskilles fra de lavere, sikrere spændinger. Dette kan omfatte et eller flere mekaniske midler som f.eks. barrierer, spærringer, isolering eller afstand.

Desuden skal layoutet opfylde de lovmæssige krav om minimumskrybning og afstandsmål for komponenter og printkortbaner, så lysbuer og overspænding ikke kan forekomme. Disse dimensioner afhænger af spændingen og det forventede driftsmiljø (fugt og støv i forhold til et rent, tørt miljø). Det kan være fornuftigt at bruge en konsulent, der er ekspert på disse områder, da standarderne er komplicerede med mange finesser, mens den formelle godkendelsesproces kræver både analyser af designlayout, konstruktion, materialer, dimensioner og materialer samt en prøvemodel til test.

I princippet er en AC/DC- eller DC/DC-forsyning med lav til høj spænding ligetil og kan bygges ved hjælp af en fuldbølge-ligretter (for AC) sammen med et spændingsmultiplikatorkredsløb bestående af dioder og kondensatorer. Der er imidlertid mange praktiske problemer i forbindelse med design af højspændingsforsyninger, f.eks. at sikre, at disse passive enheder har de rette spændingsværdier.

Selv placeringen af forsyningen er et problem. I applikationer, der kun har en lav spændingsforsyning (i størrelsesordenen ti volt eller mindre), kan det være fornuftigt at føre ledninger med lavere spænding til en spændingsmultiplikator, der er blokeret og placeret i nærheden af amp-funktionerne til højspænding. Strømforbruget ved lavere spænding betyder imidlertid yderligere strøm-modstandsfald (IR) og I²R-effekttab i disse ledninger, og det kan opveje fordelene ved adskillelsen. Den anden mulighed er at føre højspændingsledninger over hele afstanden, hvilket reducerer tabet, men øger sikkerheden og de lovgivningsmæssige begrænsninger.

Beslutningen om at bygge eller købe

Uanset placering er det normalt fornuftigt at købe højspændingsforsyningen i stedet for at forsøge at designe og bygge den, medmindre designteamet er kyndigt og erfarent. Der er mange problemer med disse forsyninger, og det er svært at få certificering. En strømforsyning gør meget mere end blot at tage en indgangsspænding og omdanne den til det ønskede output:

• Den skal være præcis og stabil
• Den skal opfylde målene for ripple og transient ydeevne
• Den bør indeholde forskellige beskyttelses- og afbrydelsesfunktioner
• Den skal opfylde EMI-standarderne
• Det kan også være nødvendigt at isolere den galvanisk

Der findes mange tilgængelige strømforsyninger med højere spænding, lige fra modeller med lav strømstyrke til modeller, der kan levere flere ampere eller mere. F.eks. er FS02-15 fra EMCO High Voltage-divisionen hos XP Power et printkortmonteret, isoleret højspændingsmodul (Figur 12). Den måler 2,25 tommer lang × 1.1 tommer bred × 0,5 tommer høj (57 millimeter (mm) × 28,5 mm × 12,7 mm), fungerer ved hjælp af en 15 volts DC-forsyning og leverer 200 V (±100 V) ved 50 mA. Modulet opfylder alle krav til ydeevne og lovgivning, samtidig med at det indeholder de funktioner, der nu er standard og forventes i en fuldt udstyret forsyning.

Figur 12: Forsyninger som FS02-15 fra XP Power, der leverer ±100 V ved 50 mA fra en 12 volts forsyningsskinne, eliminerer de designmæssige og lovgivningsmæssige problemer i forbindelse med sikker isoleret strømforsyning af op-amp's til højspænding. (Billedkilde: XP Power)

Konklusion

op-amp's til højspænding er en nødvendighed i mange elektroniske systemer, der omfatter instrumentering, medicin, fysik, piezoelektriske transducere, laserdioder og meget mere. Designere kan anvende op-amp's, der er kompatible med disse spændinger, men deres egenskaber og begrænsninger skal være klart forstået i betragtning af de ydelsesmæssige, termiske, regulatoriske og sikkerhedsmæssige implikationer af deres >100 volt-drift.