Regulujte a zesilujte vysoká napětí efektivně a bezpečně se správným vysokonapěťovým operačním zesilovačem

Existuje mnoho aplikací vyžadujících operační zesilovače, které mohou pracovat při vysokém napětí (více než 60 V až 100 V) kvůli povaze jejich vstupního signálu nebo charakteristikám výstupní zátěže. Tyto aplikace zahrnují piezo ovladače v inkoustových a 3D tiskárnách stejně jako ultrazvukové převodníky a další zdravotnické přístroje, ovladače ATE a zdroje elektrického pole.

Nejedná se o typické operační zesilovače, protože musí splňovat požadavky na rychlost přeběhu bez ohledu na bezodporovou (indukční, kapacitní) zátěž, vyžadují přísně regulovaný napájecí zdroj a – jakmile se napětí dostane nad 60 V – konstruktér narazí na striktní a náročné regulační požadavky. V závislosti na aplikaci se mohou objevovat také vysoké proudy, což vede k problémům s regulací tepla.

K řešení těchto problémů jsou k dispozici standardní monolitické a hybridní vysokonapěťové operační zesilovače založené na speciálních procesech. Při jejich výběru, návrhu a uspořádání však vyžadují speciální zvážení, aby konzistentně a bezpečně splnily cíle návrhu systému. Tento článek pojednává o použití operačních zesilovačů s vyšším napětím (>100 V) v jejich jedinečných (ale překvapivě) běžných aplikacích a o tom, jak je úspěšně aplikovat.

Proč je potřeba vysoké napětí?

Charakteristických aplikací pro vysokonapěťové operační zesilovače je mnoho a jsou různorodé. Většina z nich vyžaduje jak vyšší napětí, tak přesné ovládání, protože vyvíjí verzi se ziskem napětí jejich vstupního signálu s nižším napětím. Ve většině případů se nejedná o zapínací/vypínací signály vyššího napětí, takže je potřeba spíše lineární zesilovač než jednodušší funkce přepínání vysokého napětí. Některé z těchto aplikací, které často vyžadují bipolární výstup, zahrnují:

• Piezo ovladače v inkoustových tiskárnách, ultrazvukové převodníky a přesné ventily pro měření průtoku
• Ovladače automatických testovacích zařízení (ATE) používané k plnému využití jiných integrovaných obvodů, hybridních zařízení a modulů
• Vědecké přístroje, jako jsou Geigerovy počítače
• Vysoce intenzivní laserové diody v automobilových zobrazovacích systémech pro světelnou detekci a měření vzdálenosti („light detection and ranging“, LiDAR).
• Vytváření elektrických polí, která se často používají v biomedicínských testech na tekutinách

Mnohé z těchto systémů pracují, alespoň částečně, při vyšších napětích, ale mají nízké až mírné proudy (10 až 100 mA), a nejsou tedy „vysokým výkonem“ v obvyklém smyslu. Výsledkem je, že důraz je kladen spíše na regulaci a dodávání potřebného napětí než na řízení generovaného tepla.

Například operační zesilovač dodávající do zátěže 100 V při 100 mA představuje skromný požadavek 10 W ze zdroje (plus nějaký další výkon pro vnitřní ztráty, typicky 20 % až 30 %). I když se rozhodně nejedná o scénář s „mikrovýkonem“, není nutně náročný ani tepelně, protože většina z těchto 10 W jde do zátěže, a tak není rozptylována elektronickými součástkami. Rozptyl tepla je však něco, co je třeba vzít při přístupu k návrhu vždy v úvahu.

Podstatnějších pro zesílení vysokého napětí pomocí operačního zesilovače je několik obecných problémů, kterým konstruktér čelí:

• Výběr a používání vhodného operačního zesilovače
• Optimalizace výkonu vysokonapěťového zařízení
• Poskytování stejnosměrných vysokonapěťových vedení pro operační zesilovač, která mohou být stejná jako napájení zátěže
• Zajištění bezpečnosti vysokého napětí a splnění regulačních požadavků, co se týče uspořádání a konstrukce

Výběr a používání operačního zesilovače

Vysokonapěťový operační zesilovač není stejný jako tradiční zesilovač. Obecně platí, že zesilovač poskytuje výkonový zisk při určité kombinaci napětí a proudu a obvykle do odporové zátěže. Naproti tomu operační zesilovač je nakonfigurován tak, aby zvyšoval napětí a zároveň dodával do zátěže stanovený maximální proud. Operační zesilovač může být dále konfigurován pro pevné nebo nastavitelné zesílení a použit v různých topologiích kromě „jednoduchého“ bloku napěťového zisku.

Historicky byla většina procesů integrovaných obvodů používaných pro lineární funkce, jako jsou operační zesilovače, omezena na maximum kolem 50 V. K vytvoření operačního zesilovače s vyšším napětím přidali konstruktéři na výstup externí diskrétní vysokonapěťové tranzistory, které fungovaly jako zesilovače napětí. Zde je ukázáno použití precizního operačního zesilovače JFET LT1055 společnosti Analog Devices v obvodu s doplňkovými zesilovacími tranzistory pro dodávání ±120 V (obrázek 1).

Obrázek 1: Jedním z přístupů k produkci výstupů operačních zesilovačů s vyšším napětím je přidání doplňkových zesilovacích tranzistorů k základnímu zařízení, jako je model LT1055 společnosti Analog Devices, aby se využily výhody vstupních charakteristik operačního zesilovače. Tento návrh mění výstup na ±120 V. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

I když tento přístup funguje, ve srovnání se samotným integrovaným obvodem to má nevýhodu komplikovanějšího a nákladnějšího kusovníku a také to přináší nevyhnutelné problémy s uspořádáním. Je také náročné dosáhnout symetrického výkonu mezi kladnými a zápornými průběhy výstupních kolísání a udržet jej a zároveň minimalizovat zkreslení přes bod průchodu nulou. Tyto problémy jsou obvykle důsledkem nekompatibilních součástek (především tranzistorů NPN a PNP) a nevyváženosti ve fyzickém uspořádání.

Výběr vysokonapěťového operačního zesilovače začíná vyhodnocením parametrů, které jsou podobné těm pro jakýkoli jiný operační zesilovač, i když konkrétní hodnoty se budou samozřejmě lišit. Proces je poněkud jednodušší, protože je k dispozici relativně menší nabídka zesilovačů s vysokým napětím. Aspekty návrhu zahrnují tři hlavní oblasti:

1. Nejdůležitějšími faktory jsou výstupní napětí, výstupní proud, šířka pásma, rychlost přeběhu a unipolární versus bipolární výkon.
2. Dalšími aspekty jsou omezení rychlosti přeběhu a typu zátěže a také chyby driftu související s teplotou, které se mohou projevit v průběhu výstupní křivky.
3. Nakonec jsou zde otázky ochrany proti tepelnému přetížení, nadměrnému proudu a dalším problémům, které ovlivňují všechny zesilovače.

Řešení omezení

Konstruktéři musí posoudit, které dostupné vysokonapěťové operační zesilovače nejen splňují povinná kritéria číslo 1, ale mají dostatečně nízké chybové specifikace, aby splnily požadavky, a také nabízejí dostatečnou vestavěnou ochranu nebo mohou být vybaveny externí ochranou, jako je omezení proudu.

Přizpůsobení výkonu zařízení, které splňuje téměř všechny požadavky, vyžaduje dobré zvážení. Například někdy „nejlepší“ dostupný operační zesilovač stále zaostává v jednom faktoru, jako je nestabilita při řízení kapacitní zátěže nebo dostatečná kapacita výstupního proudu či nadměrný drift související s teplotou. Konstruktér se musí rozhodnout mezi hledáním jiného operačního zesilovače, který může mít jiný nedostatek, nebo vzít ten nevhodnější model a pak rozšířit jeho výkon.

Toto dilema ilustruje několik příkladů:

Kapacitní zátěže: Model ADHV4702-1 společnosti Analog Devices je vysokonapěťový precizní operační zesilovač (obrázek 2). Zařízení může pracovat z duálních symetrických zdrojů ±110 V, asymetrických zdrojů nebo jednoho zdroje +220 V a při až 20 mA může dodávat výstupy od ±12 V do ±110 V.

Klíčovým faktorem jeho vysokého výkonu je 170dB zesílení v otevřené smyčce (A_OL). Zesilovač může snadno pohánět skromné kapacitní zátěže, ale se zvyšováním této zátěže se póly jeho přenosové funkce posunou, což způsobí, že bude v důsledku menší fázové bezpečnosti vykazovat špičku výstupu a možnou nestabilitu.

Konstruktéři operačních zesilovačů přišli na řešení tohoto problému. Přidání sériového rezistoru mezi výstup a pin C_Load umožňuje řídit zátěž větší než 1 µF (obrázek 2).

Obrázek 2: Umístění sériového rezistoru (R_S) mezi výstup zesilovače a zátěž C_LOAD umožňuje zesilovači ADHV4702-1 řídit kapacitní zátěže větší než 1 μF. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Přidání tohoto rezistoru však může způsobit mírnou špičku zátěže (obrázek 3).

Obrázek 3: Rezistor R_S vs. zátěž C_LOAD pro maximální špičku 2 dB v obvodu z obrázku 2 při jednotkovém zisku, napájecím napětí ±110 V a V_OUT = 100 V_p-p. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Pokud i hodnota 2 dB představuje pro aplikaci nadměrnou zátěžovou špičku, podporuje zesilovač ADHV4702-1 externí kompenzaci prostřednictvím kondenzátoru umístěného mezi kompenzačním pinem a zemí. Správným výběrem rezistoru a kondenzátoru je možné zajistit stabilitu u kapacitních zátěží s téměř plochou odezvou v celé šířce pásma (obrázek 4).

Obrázek 4: Frekvenční odezva při malém signálu versus externí kompenzace pro zesilovač ADHV4702-1 při jednotkovém zesílení, napájení ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω a C_COMP = 5,6 pF. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Větší řízení výstupního proudu: Operační zesilovač OPA454AIDDAR společnosti Texas Instruments dodává ±5 V až ±50 V z jediného zdroje 10 V až 100 V (příslušně v tomto pořadí). To je poloviční jmenovité výstupní napětí oproti modelu ADHV4702-1 (100 V versus 200 V), ale tento zesilovač má >2× větší proudové řízení (50 mA versus 20 mA). Toto množství přídavného proudu zdroj/aktivní zátěž však nemusí pro některé zátěže stačit, zejména pokud zátěž sestává z paralelních menších zátěží.

Nabízejí se dvě možnosti, které tento problém pro zesilovač OPA454 řeší. Nejprve lze paralelně připojit dva (nebo více) zesilovačů OPA454AIDDAR (obrázek 5).

Obrázek 5: Paralelní umístění dvou operačních zesilovačů OPA454AIDDAR lineárně zvýší jejich možnosti výstupního proudu. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Zesilovač A1 funguje jako hlavní zesilovač a lze jej nakonfigurovat pro jakoukoli konfiguraci operačního zesilovače, nejen jako základní jednotku zisku. Zesilovač A2, který může být pouze jeden nebo jich může být více, je podřízený. Je nakonfigurován jako vyrovnávací obvod jednotkového zisku, který sleduje výstup A1 a zároveň přidává další budicí proud.

Alternativou pro získání většího proudu, než může dodávat jeden zesilovač nebo několik podřízených zařízení, je použití externích tranzistorů zvyšujících výstupní proud (obrázek 6).

Obrázek 6: Alternativou k paralelnímu umístění zařízení OPA454 je použití externích výstupních tranzistorů. Tím lze dosáhnout ještě vyššího výstupního proudu. Zde zvyšují výstupní proud na více než 1 A. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Pomocí zobrazených tranzistorů může konfigurace dodávat více než 1 A. Na rozdíl od použití dalších operačních zesilovačů OPA454 však doplňkový tranzistorový pár nemusí poskytovat požadovanou úroveň výkonu a linearity bez zkreslení. Pokud je potřeba tento vyšší proud a preferovaným řešením jsou tranzistory, mohou být vyžadovány přizpůsobené doplňkové páry tranzistorů PNP/NPN.

Teplotní koeficient (tempco) a drift: Stejně jako u všech analogových součástek ovlivňuje teplotní koeficient výkon a přesnost a součástí zesíleného výstupu se stává teplotní drift offsetu vstupu (dV_OS/dT). Pro model OPA454 je hodnota dV_OS/dT ve specifikovaném rozsahu okolních teplot −40 °C až +85 °C při ±1,6 μV/°C (typicky) a ±10 μV/°C (maximum) poměrně nízká.

Pokud je toto číslo příliš velké, celkový drift se sníží přidáním takzvaného operačního zesilovače s „nulovým driftem“ jako předzesilovače před vysokonapěťový zesilovač OPA454 (obrázek 7). Je-li nasazen zesilovač OPA735 společnosti Texas Instruments jako předzesilovač s nulovým driftem, může být drift teplotního koeficientu vysokonapěťového zesilovače udržován na driftu prvního stupně 0,05 μV/°C (maximálně), což dává redukční činitel 200.

Obrázek 7: Přidání operačního zesilovače OPA735 s téměř nulovým driftem do vstupní cesty zesilovače OPA454 má za následek dvoustupňový vysokonapěťový obvod s velmi nízkým teplotním driftem offsetu vstupu. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Problémy s teplem a ochrana před ním

I když mohou být úrovně proudu mírné, vnitřní rozptyl v důsledku vyšších napětí může být podle rovnice výkon = napětí × proud problémem. Tepelné modelování je zásadní, počínaje základní rovnicí teploty přechodu: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), kde T_J je teplota přechodu, T_A je okolní teplota, P_D jsou výkonové ztráty a Θ_JA je tepelný odpor pouzdra vůči okolí. Druhé zmíněné je dáno montážními technikami a prostředím, včetně chladiče, proudění vzduchu a mědi na desce plošných spojů.

Integrované obvody modelů jako OPA454 a ADHV4702-1 berou důležitost a přítomnost generovaného tepla v potaz a obsahují obvody vypínání na základě teploty. Například obvody v zesilovači OPA454 spouští automatické vypnutí na základě teploty, kdy výstup přejde do stavu vysoké impedance, když vnitřní teplota zařízení dosáhne 150 °C. Zařízení zůstává vypnuto na základě teploty, dokud se neochladí na 130 °C. V tomto okamžiku se zapne. Tato hystereze zabraňuje kmitání zapínání/vypínání výstupu kolem teplotního limitu.

Limity rozptylu nejsou pouze funkcí statického výstupního výkonu, ale jsou ovlivněny také provozní frekvencí a rychlostí přeběhu, což může vést k nadměrnému zahřívání fáze výstupu. Pro každé takové řízení je zásadně důležité prostudovat grafy bezpečné provozní oblasti („safe operating area“, SOA) počínaje statickou SOA zesilovače ADHV4702-1 (obrázek 8).

Obrázek 8: Je zásadně důležité prostudovat grafy bezpečné provozní oblasti (SOA). Oblast SOA stejnosměrného proudu u zesilovače ADHV4702-1 je reprezentována plochou pod křivkami při okolní teplotě 25 °C a 85 °C se ziskem 20 V a napájením ±110 V. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Problémem je také dynamická SOA. Zesilovač ADHV4702-1 je vybaven vnitřním obvodem ke zvýšení rychlosti přeběhu pro dosažení šířky pásma malého signálu 19 MHz a rychlosti přeběhu 74 V/µs, ale tento zesilovací obvod může spotřebovávat v závislosti na signálu větší množství proudu. Z tohoto důvodu lze u zesilovače ADHV4702-1 k omezení jeho rozdílového vstupního napětí použít externí diody (obrázek 9).

Obrázek 9: Externí diody na vstupu zesilovače ADHV4702-1 budou chránit zařízení před tepelnými účinky vysokého proudu zesilujícího obvodu omezením jeho rozdílového vstupního napětí. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

To chrání zesilovač v dynamickém provozu, ale omezuje rychlost přeběhu a šířku pásma velkého signálu, a tak omezuje proud produkovaný obvodem zesilování přeběhu a snižuje vnitřní výkonové ztráty (obrázek 10).

Obrázek 10: Dynamická SOA při okolní teplotě 25 °C a 85 °C, s upínacími diodami a bez nich, za stejných podmínek jako u statické SOA. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Ne všechny vysokonapěťové ovladače obsahují tepelnou ochranu, protože kvůli široké SOA je vnitřní obvod příliš omezující. Například model PA52 od společnosti Apex Microtechnology je vysokonapěťový vysokovýkonový zesilovač, který může dodávat až 40 A (kontinuálně) / 80 A (ve špičce) při rychlosti přeběhu 50 V/µs napříč unipolárním nebo bipolárním kolísáním napětí 200 V. Protože úrovně rozptylu mohou být tak vysoké, je tabulka SOA tohoto zařízení kritickým prvkem při návrhu systému, který pokrývá stejnosměrný i pulzní režim (obrázek 11).

Obrázek 11: SOA pro vysokonapěťový (±100 V) vysokoproudový (80/40 A) zesilovač, jako je model PA52 od společnosti Apex Microtechnology, se liší v širokém rozsahu v závislosti na tom, zda pracuje v ustáleném stavu nebo v pulzním režimu. (Zdroj obrázku: společnost Apex Microtechnology)

U modelu PA52 budou chtít konstruktéři s největší pravděpodobností doplnit externí high-side rezistor pro snímání proudu mezi výstup a zátěž k měření výstupního proudu a tím k posouzení výkonu. Dimenzování tohoto rezistoru je vždy kompromisem mezi vysokou a nižší hodnotou odporu. Vyšší odpor poskytuje větší signál a vyšší odstup signálu od šumu (SNR), zatímco nižší odpor minimalizuje vlastní rozptyl rezistoru a snižuje dodávaný výstupní výkon.

Dobrým výchozím bodem je vybrat hodnotu rezistoru tak, aby napětí na něm vyvinuté bylo při maximálním zatěžovacím proudu 100 mV. Také snímací obvod bude muset být kompatibilní s vysokými souhlasnými napětími („common-mode voltage“, CMV). Ve většině případů je izolovaný snímací obvod nutností z několika důvodů: integrita snímaného signálu, ochrana zbývající části obvodu a bezpečnost uživatele.

Problémy s napájením a normami

Vysokonapěťový zesilovač je mnohem víc než jen schéma a kusovník, protože se kriticky důležitými stávají specifika fyzického uspořádání. U obvodů, které pracují s více než 60 V, se objevují problémy s bezpečností a normami (skutečná hodnota závisí na koncové aplikaci a zemi/oblasti). U těchto návrhů s vyšším napětím se uživatelé musí rozhodnout, jak oddělit vyšší napětí od nižších a bezpečnějších. To může zahrnovat jeden nebo více mechanických prostředků, jako jsou oddělovací členy, blokování, izolace nebo rozestupy.

Uspořádání musí dále splňovat regulační požadavky pro minimální povrchovou cestu a vzdušnou vzdálenost pro rozměry součástí a obvodových desek, aby nemohlo dojít k jiskření a přeskoku. Tyto rozměry jsou funkcí napětí a předpokládaného provozního prostředí (vlhkost a prach versus čisté a suché prostředí). Může být užitečné využít konzultanta, který je v těchto oblastech odborníkem, protože normy jsou komplikované s mnoha jemnými detaily, kdežto formální schvalovací proces vyžaduje jak analýzy návrhu, konstrukce, materiálů a rozměrů, stejně tak jako kontrolní model na zkoušku.

Nízko- až vysokonapěťové AC/DC nebo DC/DC napájení je v zásadě jednoduché a může být vytvořeno pomocí dvoucestného usměrňovače (pro AC) spolu s obvodem násobiče napětí složeného z diod a kondenzátorů. Při návrhu vysokonapěťových zdrojů však existuje mnoho praktických problémů, jako je zajištění správného jmenovitého napětí těchto pasivních zařízení.

Dokonce i umístění zdroje je problém. V aplikacích, které mají pouze zdroj nízkého napětí (řádově desítky voltů nebo méně), může mít smysl vést vodiče s nižším napětím k blokovanému násobiči napětí umístěnému v blízkosti funkcí vysokonapěťového operačního zesilovače. Odběr proudu při nižším napětí však znamená další pokles odporu proudu (IR) a ztrátu výkonu I²R v těchto vodičích, a to může převážit výhody oddělení. Druhou možností je vést vysokonapěťové vodiče na určitou vzdálenost, čímž se sníží ztráty, ale zvýší se bezpečnostní a regulační omezení.

Rozhodnutí vyrobit versus koupit

Pokud není konstruktérský tým znalý a zkušený, má bez ohledu na umístění obvykle smysl zdroj vysokého napětí koupit, spíše než se jej snažit navrhnout a sestavit. S těmito zdroji je mnoho problémů a získání certifikace je obtížné. Napájecí zdroj umí mnohem více, než jen přijímání vstupního napětí a jeho převádění na požadovaný výstup:

• Musí být přesný a stabilní.
• Musí splňovat cíle zvlnění a přechodného výkonu.
• Měl by obsahovat různé funkce ochrany a vypnutí.
• Musí splňovat standardy EMI.
• Může být také nutné, aby byl galvanicky izolovaný.

Existuje mnoho dostupných zdrojů vyššího napětí od modelů s nízkými proudy až po ty, které mohou dodávat několik ampérů nebo více. Například model FS02-15 od divize EMCO High Voltage společnosti XP Power je izolovaný vysokonapěťový modul namontovaný na desce plošných spojů (obrázek 12). Měří 57 mm na délku × 28,5 mm na šířku × 12,7 mm na výšku (2,25 palce × 1,1 palce × 0,5 palce), funguje z 15V DC zdroje a poskytuje 200 V (±100 V) při 50 mA. Modul splňuje všechny výkonové a regulační požadavky a zároveň obsahuje funkce, které jsou nyní u plně vybaveného zdroje standardní a očekávané.

Obrázek 12: Běžně dostupné zdroje, jako je model FS02-15 od společnosti XP Power, který dodává ±100 V při 50 mA z 12V napájecího vedení, eliminuje konstrukční a regulační problémy spojené s bezpečným poskytováním izolovaného napájení pro vysokonapěťové operační zesilovače. (Zdroj obrázku: společnost XP Power)

Závěr

Vysokonapěťové operační zesilovače jsou nutností v mnoha elektronických systémech zahrnujících přístrojovou techniku, zdravotnictví, fyziku, piezoelektrické převodníky, laserové diody a další. Zatímco konstruktéři mohou využít operační zesilovače, které jsou kompatibilní s těmito napětími, jejich vlastnosti a omezení musí být jasně pochopeny s ohledem na výkon, tepelné, regulační a bezpečnostní důsledky jejich provozu při více než 100 V.