Styre og forsterke høye spenninger effektivt og sikkert ved å bruke riktig høyspent operasjonsforsterker

Det er mange konstruksjoner som krever operasjonsforsterkere (op-amper) som kan fungere ved høye spenninger (over 60 V til 100 V) på grunn av inngangssignalets art eller egenskapene til utgangslasten. Disse bruksområdene omfatter piezodrivere i blekkskrivere og 3D-skrivere, samt ultralydtransdusere og andre medisinske instrumenter, ATE-drivere og kilder til elektriske felt.

Disse er ikke typiske operasjonsforsterkere, siden de må oppfylle krav til svinghastighet i møte med ikke-resistive (induktive, kapasitive) laster. De krever også en tett regulert strømforsyning, og, når spenningene går over 60 V, vil konstruktøren støte på strenge og krevende forskriftskrav. Avhengig av konstruksjonen, kan det også være høye strømmer som fører til problemer med varmestyring.

For å håndtere disse problemene, er standard monolitiske og hybride høyspente operasjonsforsterkere som er basert på spesielle prosesser, tilgjengelige. De krever imidlertid spesielle overveielser når det kommer til valg, utforming og layout for å konsekvent og sikkert oppfylle målene til systemkonstruksjonen. Denne artikkelen vil se på bruken av operasjonsforsterkere med høyere spenninger (>100 V) i deres unike, (men overraskende) vanlige konstruksjoner, og hvordan de kan brukes på riktig måte.

Hvorfor er det behov for høyspenning?

Representative konstruksjoner for høyspente operasjonsforsterkere er mange og varierte. Flesteparten av disse krever både høyere spenninger og nøyaktig styring når de utvikler den spenningsforsterkede versjonen av inngangssignalet med lavere spenning. I de fleste tilfeller er ikke disse høyere på/av-spenningssignaler, så det er behov for en lineær forsterker istedenfor en enklere høyspent vekslingsfunksjon. Noen av disse konstruksjonene, som ofte krever en topolet utgang, omfatter:

• Piezo-drivere i blekkskrivere, ultralydtransdusere og nøyaktige strømningsmålingsventiler
• Drivere for automatisk testutstyr (ATE – automatic test equipment) som brukes til å anvende andre IC-er, hybride enheter og moduler fullt ut
• Vitenskapelige instrumenter som geigertellere
• De høyintensive laserdiodene i LiDAR-avbildingssystemer (LiDAR – light detection and ranging) for kjøretøy
• Oppretting av elektriske felt som ofte brukes i biomedisinske tester på væsker

Mange av disse systemene fungerer, ihvertfall delvis, ved høyere spenninger, men de har lav til beskjeden strøm (10 til 100 mA), noe som gjør at de i vanlig forstand ikke betegnes som «høyeffekt». Som et resultat handler konstruksjonsfokuset mer om å kontrollere og levere den nødvendige spenningen enn å håndtere generert varme.

For eksempel representerer en operasjonsforsterker som leverer 100 V ved 100 mA til en last et beskjedent behov på 10 W fra forsyningen (pluss noe ekstra effekt for interne tap, vanligvis rundt 20 til 30 %). Selv om dette opplagt ikke er noe «mikroeffekt»-scenario, er det heller ikke nødvendigvis et vanskelig termisk scenario, ettersom de fleste av disse 10 W går til lasten, noe som dermed gjør at de ikke spres av de elektroniske komponentene. Likevel er termisk spredning noe som alltid må tas hensyn til når man planlegger en konstruksjon.

De er nært forbundet med høyspenningsforsterkning via en operasjonsforsterker, og her er noen generelle problemstillinger som konstruktører står overfor:

• Velge og bruke en egnet operasjonsforsterker
• Optimalisering av høyspentenhetens ytelse
• Levere DC-høyspenningsskinnene til operasjonsforsterkeren, som kan være lik lastens forsyning
• Sørge for høyspenningssikkerhet og oppfylle forskriftsmessige mandater for layout og konstruksjon

Velge og bruke operasjonsforsterkeren

En høyspent operasjonsforsterker ligner ikke en tradisjonell forsterker. Generelt sett gir en forsterker effektøkning ved hjelp av en kombinasjon av spenning og strøm, og vanligvis til en resistiv last. I motsetning til dette er en operasjonsforsterker konfigurert til å øke spenningen mens den forsyner (opptil) en spesifisert maksimal strøm til lasten. Videre kan operasjonsforsterkeren konfigureres for fast eller justerbar forsterkning og brukes i en rekke topologier i tillegg til den «enkle» spenningsforsterkningsblokken.

Historisk sett var de fleste IC-prosesser som ble brukt for lineære funksjoner, for eksempel operasjonsforsterkere, begrenset til maksimalt rundt 50 V. For å skape en høyere spenning, la konstruktører til eksterne, diskrete høyspenningstransistorer på utgangen, som fungerte som spenningsforsterkere. Her vises bruken av Analog Devices sin nøyaktige JFET-operasjonsforsterker, LT1055, i en krets med komplementære booster-transistorer for å levere ±120 V (figur 1).

Figur 1: Én fremgangsmåte for å produsere høyere spenning på operasjonsforsterkerens utgang, er å legge til komplementære booster-transistorer til en grunnleggende enhet som Analog Devices sin LT1055 for å dra nytte av inngangsegenskapene til operasjonsforsterkeren. Denne utformingen bringer utgangen til ±120 V. (Bildekilde: Analog Devices)

Selv om dette fungerer, er ulempen en mer komplisert og kostbar materialliste sammenlignet med kun IC-en, samt uunngåelige layoututfordringer. Det er også utfordrende å oppnå og opprettholde symmetrisk ytelse mellom de positive og negative utgangssvingningene, samtidig som forvrengningen gjennom nullkryssingspunktet minimeres. Disse problemene er vanligvis et resultat av komponenter som ikke stemmer overens (hovedsakelig NPN- og PNP-transistorer) og ubalanse i den fysiske layouten.

Valget av en høyspent operasjonsforsterker begynner med å evaluere parametrene som ligner de for en hvilken som helst operasjonsforsterker, selv om de spesifikke tallene selvfølgelig vil variere. Prosessen er noe forenklet siden det er færre tilbud med høy spenning. Konstruksjonshensyn omfatter tre hovedområder:

1. Faktorene på øverste nivå omfatter utgangsspenning, utgangsstrøm, båndbredde, svinghastighet og enpolet kontra topolet ytelse
2. Andre bekymringer er begrensninger i svinghastighet og lasttype samt temperaturrelatert driftsfeil, som kan dukke opp i utgangsbølgeformen
3. Til slutt har vi bekymringer relatert til beskyttelse mot termisk overbelastning, overskuddsstrøm og andre problemer som påvirker alle forsterkere

Få bukt med begrensningene

Konstruktører må vurdere hvilke tilgjengelige høyspente operasjonsforsterkere som ikke bare oppfyller de obligatoriske kriteriene i #1, men som også har tilstrekkelig lave feilspesifikasjoner for å oppfylle kravene, og som i tillegg tilbyr tilstrekkelig innebygd beskyttelse eller kan tilpasses med ekstern beskyttelse som strømbegrensning.

Å tilpasse ytelsen til en enhet som oppfyller nesten alle krav, krever god dømmekraft. Noen ganger kommer for eksempel den «beste» tilgjengelige operasjonsforsterkeren fortsatt til kort for én faktor, for eksempel ustabilitet mens den driver en kapasitiv last eller tilstrekkelig utgangsstrømkapasitet eller overdreven temperaturrelatert vandring. Konstruktøren må velge mellom å se etter en annen operasjonsforsterker, som kan ha andre mangler, eller velge den beste og deretter forlenge ytelsen.

Noen eksempler illustrerer denne situasjonen:

Kapasitive laster: ADHV4702-1 fra Analog Devices er en høyspent, nøyaktig operasjonsforsterker (figur 2). Enheten kan fungere fra to symmetriske strømforsyninger på ±110 V, asymmetriske strømforsyninger eller én enkelt +220-volts strømforsyning, og kan levere utganger på mellom±12 V og ±110 V ved opptil 20 mA.

Den 170 desibel (dB) forsterkningen uten tilbakekopling (A_OL) er en viktig faktor for den høye ytelsen. Den kan enkelt drive beskjedne kapasitive laster, men etter hvert som denne lasten øker, vil polene i overføringsfunksjonen forskyves, noe som fører til at den viser utgangsspisser og mulig ustabilitet på grunn av redusert fasemargin.

Konstruktørene av operasjonsforsterkere fant en løsning på dette problemet. Ved å legge til en seriemotstand mellom utgangen og C_Load-pinnen kan den drive laster som er større enn 1 mikrofarad (µF) (figur 2).

Figur 2: Plassering av en seriemotstand (R_S) mellom forsterkerens utgang og C_LOAD gjør det mulig for ADHV4702-1 å drive kapasitive laster som er større enn 1 μF. (Bildekilde: Analog Devices)

Tillegging av denne motstanden kan imidlertid føre til beskjedne lastspisser (figur 3).

Figur 3: R_S kontra C_LOAD for maksimal spiss på 2 dB for kretsen i figur 2 ved effektfaktor 1, forsyningsspenning på ±110 V og V_OUT = 100 V_p-p. (Bildekilde: Analog Devices)

Hvis til og med 2 dB er for høy belastning for konstruksjonen, støtter ADHV4702-1 ekstern kompensasjon via en kondensator plassert mellom kompensasjonspinnen og jord. Når riktig motstand og kondensator velges, er det mulig å sikre stabilitet med kapasitive laster med nesten flat respons over hele båndbredden (figur 4).

Figur 4: Frekvensrespons med lite signal kontra ekstern kompensasjon for ADHV4702-1 ved effektfaktor 1, en forsyning på ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω og C_COMP = 5,6 picofarad (pF). (Bildekilde: Analog Devices)

Mer utgangsstrømstyring: Texas Instruments sin operasjonsforsterker OPA454AIDDAR leverer ±5 V til ±50 V fra én enkelt strømforsyning på henholdsvis 10 V til 100 V. Dette er halvparten av utgangsspenningen til ADHV4702-1 (100 V kontra 200 V), men den har >2x strømstyring (50 mA kontra 20 mA). Denne ekstra mengden kilde/sink-strøm er imidlertid kanskje ikke tilstrekkelig for enkelte laster, spesielt hvis lasten består av mindre laster i parallell.

Det er to alternativer som håndterer dette problemet for OPA454. For det første kan to (eller flere) OPA454AIDDAR-er kobles parallelt (figur 5).

Figur 5: Plassering av to OPA454AIDDAR-operasjonsforsterkere i parallell vil øke utgangsstrømkapasiteten lineært. (Bildekilde: Texas Instruments)

Forsterker A1 fungerer som hovedforsterker, og den kan konfigureres for alle konfigurasjoner av operasjonsforsterkere, ikke bare som en grunnleggende forsterkningsenhet. Forsterker A2, som kan være én eller mange, er en slave. Den er konfigurert som en effektfaktor 1-buffer som sporer utdata fra A1 samtidig som ekstra driverstrøm legges til.

Et alternativ for å oppnå mer strøm enn én enkel forsterker eller flere slaver kan forsyne, er å bruke eksterne boost-transistorer for utgangsstrøm (figur 6).

Figur 6: Et alternativ til å plassere OPA454-enheter i parallell, er å bruke eksterne utgangstransistorer. Dette kan gi enda høyere utgangsstrøm. Her øker de utgangsstrømmen til mer enn 1 ampere. (Bildekilde: Texas Instruments)

Ved å bruke transistorene som vises her, kan konfigurasjonen levere over 1 ampere. I motsetning til bruken av flere OPA454-operasjonsforsterkere, er det imidlertid ikke sikkert at det komplementære transistorparet kan levere nivået av forvrengningsfri ytelse og linearitet som er nødvendig. Hvis denne høyere strømmen trengs og transistorer er den foretrukne løsningen, kan det være nødvendig med komplementære PNP-/NPN-transistorpar.

Temperaturkoeffisient (tempco) og vandring: I likhet med alle analoge komponenter, påvirker tempco ytelse og nøyaktighet, og inngangsforskjøvet temperaturvandring (dV_OS/dT) vil bli en del av den forsterkede utgangen. For OPA454 er dV_OS/dT-spesifikasjonen ganske lav ved ±1,6 μV/°C (typisk) og ±10 μV/°C (maksimum) over det angitte temperaturområdet til omgivelsene på –40 °C til +85 °C.

Hvis dette tallet er for stort, kan en såkalt «nullpunktsdrift»-operasjonsforsterker som legges til som en forforsterker foran den høyspente OPA454, redusere den totale vandringen (figur 7). Med Texas Instruments sin OPA735 på plass som nullpunktsdrift-forforsterker, kan tempco-vandringen til høyspentforsterkeren holdes på 0,05 μV/°C (maksimum) vandring i det første trinnet, noe som gir en reduksjonsfaktor på 200.

Figur 7: Ved å legge til OPA735-operasjonsforsterkeren med nær-nullpunkt-drift i inngangsbanen til OPA454, er resultatet en to-trinns høyspennningskrets med svært lav inngangsforskjøvet temperaturvandring. (Bildekilde: Texas Instruments)

Termiske problemer og termisk beskyttelse

Selv om strømnivåene kan være beskjedne, kan intern avledning på grunn av de høyere spenningene være et problem, i henhold til ligningen effekt = spenning × strøm. Termisk modellering er avgjørende og begynner med den grunnleggende ligningen for grenseskifttemperatur: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), der T_J er grenseskikttemperaturen, T_A er omgivelsestemperaturen, P_D er effektavledningen og Θ_JA er kapslingens termiske motstand mot omgivelsene. Sistnevnte bestemmes av monteringsteknikker og omgivelser, slik som varmeavledning, luftstrøm, og kretskobber.

IC-er, for eksempel OPA454 og ADHV4702-1, som anerkjenner viktigheten og tilstedeværelsen av generert varme, inkluderer kretser for termisk nedstengning. For eksempel utløser kretser i OPA454 automatisk termisk nedstenging der utgangen går til en tilstand med høy impedans når den interne enhetstemperaturen når 150 °C. Den forblir i termisk nedstenging helt til den avkjøles til 130 °C. Den vil deretter slå seg på. Denne hysteresen hindrer på/av-oscilleringer på utgangen rundt en termisk grense.

Avledningsgrenser er ikke bare en funksjon av statisk utgangseffekt, men påvirkes også av driftsfrekvens og svinghastighet, noe som kan føre til overdreven oppvarming på utgangsfasetrinnet. Det er avgjørende å studere grafene for sikkert driftsområde (SOA – safe operating area) for alle slike drivere som begynner med den statiske SOA-en til ADHV4702-1 (figur 8).

Figur 8: Det er veldig viktig å studere SOA-grafene (SOA – safe operating area). DC SOA-en for ADHV4702-1 representeres av området under kurvene, ved omgivelsestemperaturer på 25 °C og 85 °C, med en forsterkning på 20 V og en forsyning på ±110 volt. (Bildekilde: Analog Devices)

Dynamisk SOA er også en bekymring. ADHV4702-1 har en intern forsterkningskrets for svinghastighet for å oppnå en båndbredde på 19 megahertz (MHz) for småsignaler og en svinghastighet på 74 V/mikrosekund (µs), men denne forsterkningskretsen kan forbruke mer strøm avhengig av signalet. Derfor kan eksterne dioder brukes med ADHV4702-1 for å begrense dens differensialinngangsspenning (Figur 9).

Figur 9: Eksterne dioder ved inngangen til ADHV4702-1 vil beskytte enheten mot de termiske virkningene av forsterkningskretsens høye strøm ved å begrense dens differensialinngangsspenning. (Bildekilde: Analog Devices)

Dette beskytter forsterkeren under dynamisk drift, men begrenser svinghastigheten og stor signalbåndbredde, og begrenser dermed strømmen som produseres av svingningsforsterkningskretsen og reduserer den interne effektavledningen (figur 10).

Figur 10: Dynamisk SOA ved omgivelsestemperaturer på 25 °C og 85 °C, med og uten klemdioder, under samme forhold som den statiske SOA-en. (Bildekilde: Analog Devices)

Ikke alle høyspentdrivere kommer med varmebeskyttelse siden den brede SOA-en gjør interne kretser for restriktive. For eksempel er PA52 fra Apex Microtechnology en høyspent høyeffektforsterker som kan levere opptil 40 ampere (kontinuerlig)/80 ampere (spiss) med en svinghastighet på 50 V/µs over en enpolet eller topolet spenningssvingning på 200 V. Siden avledningsnivåene kan være såpass høye, er SOA-skjemaet til denne enheten et avgjørende element i systemkonstruksjon, som dekker både likestrømsmodus og pulsmodus (figur 11).

Figur 11: SOA for en forsterker med høy spenning (±100 V) og høy strøm (80/40 ampere), for eksempel PA52 fra Apex Microtechnology, varierer over et bredt område avhengig av om den er i drift i stabil tilstand eller pulsmodus. (Bildekilde: Apex Microtechnology)

For PA52 vil konstruktører mest sannsynlig ønske å legge til en ekstern strømfølende motstand på høysiden mellom utgangen og lasten for å måle utgangsstrømmen, og dermed estimere effekten. Dimensjonering av denne motstanden er alltid et kompromiss mellom høy motstandsverdi og lavere motstandsverdi. Høyere motstand gir et større signal og høyere signal-til-støy-forhold (SNR – signal-to-noise ratio), mens lavere motstand vil minimerer motstandens selvavledning og redusere den leverte utgangseffekten.

Et godt utgangspunkt er å velge motstandsverdien slik at spenningen som utvikles på tvers av den, er 100 mV ved maksimal laststrøm. Sensorkretsen må også være kompatibel med høye fellesmodusspenninger (CMV – common-mode voltage). I de fleste tilfeller er en isolert sensorkrets en nødvendighet av flere grunner: detektert signalintegritet, beskyttelse av resten av kretsen og brukersikkerhet.

Utfordringer relatert til strømforsyning og forskrifter

En høyspent forsterker er mye mer enn hva et skjema og en materialliste forteller, fordi detaljene rundt den fysiske layouten er avgjørende. For kretser som fungerer over rundt 60 V, er det sikkerhetsutfordringer relatert til implementering og standarder (den faktiske verdien avhenger av den endelige konstruksjonen og landet). For disse konstruksjonene med høyere spenninger, må brukere bestemme hvordan de skal skille de høyere spenningene fra de lavere, sikrere spenningene. Dette kan innebære én eller flere mekaniske innretninger, for eksempel barrierer, forriglinger, isolasjon eller skiller.

Videre må layouten oppfylle forskriftsmessige mandater for minimum krypstrøm og klaringsdimensjoner for komponenter og kretskortspor, slik at lysbuer og overslag ikke kan forekomme. Disse dimensjonene er en funksjon av spenningen og det forventede driftsmiljøet (fuktighet og støv sammenlignet med et rent, tørt miljø). Det kan være fornuftig å bruke en konsulent som er ekspert på disse områdene, siden standardene er kompliserte med mange nyanser, mens den formelle godkjenningsprosessen krever både analyser av designlayouten, konstruksjonen, materialer, dimensjoner og materialer, samt en sikker modell for testing.

I prinsippet er en lav-til-høy AC/DC- eller DC/DC-strømforsyning ukomplisert og kan bygges ved å bruke en likeretter (for AC) kombinert med en spenningsmultiplikatorkrets som består av dioder og kondensatorer. Det er imidlertid mange praktiske utfordringer med konstruksjonen til høyspente strømforsyninger, for eksempel å sikre at disse passive enhetene har riktig spenning.

Selv plassering av strømforsyningen er en utfordring. I konstruksjoner som bare har en lavspent strømforsyning (i størrelsesorden titalls volt eller mindre), kan det være fornuftig å legge lavspenningsledninger til en blokkert spenningsmultiplikator som er plassert i nærheten av funksjonene til den høyspente operasjonsforsterkeren. Strømforbruket ved lavere spenninger betyr imidlertid ytterligere strømmotstandsfall (IR) og I²R effekttap i disse ledningene, og dette kan oppveie fordelene til separasjonen. Det andre alternativet er å legge høyspentledningene for distansen, og dermed redusere tap, men bidra til sikkerhets- og forskriftsmessige begrensninger.

Avgjørelsen om å lage kontra kjøpe

Uavhengig av plassering, med mindre designteamet er kunnskapsrikt og erfarent, er det vanligvis fornuftig å kjøpe høyspente strømforsyninger i stedet for å prøve å konstruere og bygge dem selv. Det er mange problemer forbundet med disse strømforsyningene, og det er vanskelig å få dem sertifisert. En strømforsyning gjør mye mer enn å bare ta en inngangsspenning og omforme den til ønsket utgang:

• Den må være nøyaktig og stabil
• Den må oppfylle målene for rippel- og transientytelse
• Den bør innlemme ulike beskyttelses- og nedstengningsfunksjoner
• Den må oppfylle EMI-standarder
• Den må kanskje også være galvanisk isolert

Det er mange tilgjengelige høyspente strømforsyninger som varierer fra lavstrømsmodeller til modeller som kan forsyne flere ampere. For eksempel er FS02-15 fra EMCO High Voltage-avdelingen til XP Power en kretskortmontert, isolert høyspenningsmodul (figur 12). Den er 57 mm (2,25 tommer) lang × 28,5 mm (1,1 tommer) bred × 12,7 mm (0,5 tommer) høy, opererer fra en likestrømsforsyning på 15 volt og leverer 200 V (±100 V) ved 50 mA. Modulen oppfyller alle ytelses- og forskriftsmessige krav, samtidig som den også inkluderer funksjonene som nå er standard og som forventes i en fullt utstyrt strømforsyning.

Figur 12: Standard strømforsyninger, for eksempel FS02-15 fra XP Power, som leverer ±100 V ved 50 mA fra en 12-volts forsyningsskinne, eliminerer design- og forskriftsproblemene forbundet med sikker tilførsel av isolert strøm til høyspente operasjonsforsterkere. (Bildekilde: XP Power)

Konklusjon

Høyspente operasjonsforsterkere er nødvendig i mange elektronikksystemer som spenner over instrumentering, medisin, fysikk, piezoelektriske transdusere, laserdioder, med mer. Selv om konstruktører kan bruke operasjonsforsterkere som er kompatible med disse spenningene, må egenskapene og begrensningene til disse være klart forstått med tanke på implikasjoner relatert til ytelse, varme, forskrifter og sikkerhet for driften deres på >100 volt.