如何在系统中实现高低压电路的设计

虽然人们更倾向于通过降低电压来减少功耗，但设计人员往往需要在同一设计中采用低压和高压电路。这就提出了三大挑战：开发更高电压的直流电轨;提供更高电压的模拟放大器/驱动器功能;以及满足更高电压系统的相关安全和法规要求。

低于 5 V 的低压操作优点很多，包括更低的功耗、更低的发热损耗、更高的 IC 功能密度、更长的运行时间和更长的寿命。但有许多应用需要数百伏乃至更高的电压。压电电机、触觉设备、打印头驱动器、专用传感器和科学仪器等应用都需要更高的电压，但其电流往往处在中等水平，最高不过几百毫安 (mA)。

因此，如果系统采用低压电路与高压电路混合的设计，设计人员便能从容地应对相关挑战。

本文将理论与实际解决方案示例相结合，说明如何生成高压电轨并提供所需的模拟驱动器，最后讨论如何满足法规和安全要求。

提供高压电轨

要提供高压直流电轨，设计人员可以设计和开发高压电源，也可以购买高压电源。理论上，开发高压电源，尤其是小电流高压电源，并不困难。有两种传统的方法：

如果仅提供低压直流电源，设计人员可基于为此目的而设计的升压模式 DC/DC 开关稳压器来实施电路。

如果提供了交流线路，则可以使用一个或多个倍压电路(图 1)。

 

 

图 1：基本倍压电路使用多个二极管和电容，将 120 VAC(RMS)(峰值电压为 170 VAC)的交流电转换为两倍峰值电压的直流电。(图片：Lewis Loflin，Bristol Watch)

基本倍增器将交流电压峰值转换为两倍于该值的直流电压。倍增器可提供的电流量依赖于电容器的大小，因此更大的电流需要更高的电容。请注意，这些电容器必须是特殊的高压装置，否则，标准的低压电容器将会失效甚至可能爆炸。

虽然升压模式或电压倍增器的方法均可行，但两者都存在同样的问题：由于它们处理的都是高电压，因此设计人员必须在布局、电弧放电、用户安全和监管标准方面小心谨慎。

出于以上原因，许多工程师更喜欢使用市售的高压电源，例如 XP Power 的 EMCO 系列 AG01P-5(图 2)。这种安装在印刷电路板上的小型装置的厚度仅为 3.25 毫米 (mm)(0.128 英寸)，体积小于 1639 立方毫米(0.100 立方英寸)。该电源采用 0.7 V 至 5 V 直流电源供电，但在 10 mA 下可提供 100 V 电压。它还有一项额外优势，即具有 500 V 的电位隔离能力，这在许多要求确保正确的系统操作和用户/设备安全性的情况下是必需的。

 

 

图 2：XP Power 的微型 EMCO 系列 AG01P-5 DC/DC 转换器采用 0.7 V 至 5 V 直流电源，在 10 mA 时可产生 100 V 直流电;同时还包括 500 V 的隔离能力。(图片：XP Power)

对于需要更高电压或更大电流的应用，XP Power 和其他供应商提供的基本单元可以在数百 mA 的电流下提供数百甚至数千伏的电压。一些应用采用直流电轨供电，另一些则采用交流线路供电。通过使用可靠供应商提供的现成的标准高压电源，可以有效地解决电源的所有技术性能和监管问题。这样，设计人员便可以专注于如何将电源的高压输出传输到用电电路。

当然，有些情况下，OEM 设计的高压电源是合理的，或者是唯一的选择。例如，一些大批量应用的 BOM 可能极具成本效益;标准电源不需要电压/电流配对;系统具有独特的空间限制或需要具有非常规外形尺寸的电源;或者 OEM 已拥有高压电源设计和实施方面的专业知识。然而，对大多数工程师而言，既要满足技术要求、选择和采购非常规组件，还要应对各种监管问题，这使得高压电源的设计成为一项艰巨的任务。

提供模拟驱动器

一旦确定采购何种电源轨，下一步就是决定如何提供负载所需的高压模拟放大。请注意，某些情况下，使用静态直流电压便能满足偏置和类似的电路要求，而不需要高电压下动态、可控的放大信号。这类情况下，只需一个电源(可能可调节)便足矣。

设计人员可选择三种方式来实施高压运算放大器功能。第一种方式是使用标准的低压运算放大器，但在输出端增加升压晶体管(图 3)。这样做的效果是将低电压输出摆幅转换为更宽、更高的电压范围。在这里，Analog Devices LT1055 的高速精密运算放大器被用作放大器的内核，并通过三对 PNP/NPN 晶体管将输出提升至双极 ±125 V 轨至轨范围。

 

 

图 3：要产生更高电压的运算放大器输出，一种方法是向基本器件(如 LT1055)添加互补升压晶体管，以便利用运算放大器的输入特性。(图片：Analog Devices)

此方法可行且有效，但需要大量额外的有源和无源分立元器件。此外，所选的 NPN/PNP 晶体管类型必须与增益、压摆和其他参数(取决于具体参数)的相似或互补规格相匹配，以确保双极操作的对称性。因此，有必要对设计进行细致的 Spice 或类似建模，包括元器件公差的影响。

第二个选项是使用本身专为高电压操作而设计的运算放大器。虽然由于半导体工艺的限制，这些运算放大器通常不是单片零件，但它们被封装在一个小模块中，并且作为单一元器件“置入”设计。这些器件通常搭配主要用作信号缓冲器的更小低压运算放大器使用。

例如 Apex Microtechnology 的 PB64 双高压升压放大器。此器件通过小信号通用运算放大器提供电压和电流增益(图 4)，采用 12 引脚电气隔离 SIP 外壳，尺寸为 31 毫米(1.2 英寸)× 20 毫米(0.8 英寸)× 7 毫米(0.27 英寸)(不含通孔引脚)。典型应用包括科学仪器以及功率半导体和 LED/LCD 阵列的测试。

 

 

图 4：虽然它不是单片 IC，但是诸如 Apex Technology 的 PB64 高压放大器这类器件与低压器件一样易于集成。(图片：Apex Microtechnology)

PB64 的最大输出电压为 ±75 V，低于之前讨论的分立式解决方案，但它有两项相对优势。在搭配缓冲器使用时，它只需几个非关键的无源元器件，便能提供高达 ±2 A 的电流，而这意味着相当可观的功率(图 5)。

 

 

图 5：在大多数应用中，将 PB64 高压放大器与标准运算放大器一起用作输入缓冲器，可以确保一致的输入信号场景和负载。(图片：Apex Microtechnology)

在检查规格书时，查看关键的静态和动态性能特点，例如安全工作区 (SOA) 和脉冲响应(图 6)。使用先前的设计方法开发等效的数据和规格不仅非常耗时，而且难度更大。

 

 

图 6：PB64 高压放大器的脉冲响应。(图片：Apex Microtechnology)

当然，各种高压应用需要不同的电压和电流组合。对于触觉压电变送器这类应用，所需的电压可能高于 Apex 装置所能提供的电压，但电流需求要低得多。针对这类情况，一种可行的选择是使用基于高电压工艺构建但功耗低得多的 IC。

例如，凭借集成的升压转换器，Texas Instruments DRV8662 压电触觉驱动器可通过仅 3.0 至 5.5 V 的电源，将高达 ±200 V 的电压摆动至 100 纳法拉 (nF) 的负载(如果减小摆幅，甚至可以摆动至更高的容性负载)(图 7)。

 

 

图 7：Texas Instruments 的 DRV8662 IC 主要面向用于触觉设计的压电式驱动致动器细分市场应用，可使用内部升压直流转换器，通过一位数的电压源为容性负载提供高达 ±200 V 的电压。(图片：Texas Instruments)

该 IC 仅需少量几个外部无源元器件，并支持四种 GPIO 控制增益(分别为 28.8 dB、34.8 dB、38.4 dB 和 40.7 dB)。尽管具有 ±200 V 的额定电压，但它采用的是 4 mm × 4 mm × 0.9 mm 微型 QFN 封装，非常适合尺寸较小且仅可提供几伏直流电压轨的便携式应用。在使用压电变送器作为致动器的基本触觉应用中，驱动信号可由数模转换器 (DAC) 设定，进而由处理器进行控制(图 8)。

 

 

图 8：除了用作基本模拟高压驱动器之外，DRV8662 还包括四个用户选择的增益值，用于设置所需的输出范围。(图片：Texas Instruments)

标准、监管要求：这是一个重大问题

在低电压设计领域，针对用户和系统安全的行业和政府标准很少甚至没有，但高电压设计领域则不同，存在大量约束性标准。根据所在的全球区域和最终应用，具体标准会有所不同，但一般而言，电压低于 50 至 60 V 的设计面临的限制很少甚至没有(这也是电话系统仍旧使用 48 V 电压轨的原因之一)。在众多的标准制定组织中，最为人所知的包括 UL、IRC 和 IPC。

然而，随着电压越来越高，对设计的物理布局要求日益严格，同时对设计的电气故障模式及其机械结构的关注也越来越多，这些都已成为重要的问题。大多数监管标准都很重视电压电平，而不是电流，因为电压才是电路和用户的主要风险。它们与电气(电压)和机械设计考虑因素紧密相关。

这些安全标准高度关注多个问题，包括：

内部布局是否容许电弧放电或飞弧，甚至可能的材料燃烧?

机械或封装失效(应力裂纹或撞击后的裂纹)是否会使用户暴露于危险的电位?

用户是否会接触到更高的内部电压?

标准中定义了不同电压水平下的最小“爬电距离和间隙”尺寸(图 9)。爬电距离是沿电路板表面测量的印刷电路板上两个暴露点之间的间隔，而间隙是指穿过空气测量的两个导电零件之间的最短距离。随着电压的增加，最小距离也会增大。

 

 

图 9：爬电距离和间隙是影响高压电路和系统布局及机械设计的主要考虑因素;而基本最小尺寸只是一个起点，而且依赖于电压和其他因素。(图片：PCB 设计技术指南)

然而，最小爬电距离和间隙值远不止“电压与距离”表那么简单。这些标准要求对电路运行环境(灰尘、湿气和其他颗粒物)、使用的材料和其他因素进行调整;此过程相当复杂且容易混淆，因此请花些时间研究标准和任何相关指南。

不符合相关标准的设计将不会获得关键认证。当然，一般来说，即使在印刷电路板上将暴露点或零件移动一毫米以满足要求，难度也会很大，而且可能会对设计产生不佳的连锁反应。

因此，务必雇佣一位精通高电压标准的专家或者能够在早期阶段提供项目评估和指导的顾问，以避免昂贵且耗时的电气和机械重新设计及重新测试。

做出决策

使用哪种方法来开发更高电压的升压晶体管、混合模块或 IC，取决于多种因素。首先，所选的方法能否支持电压、电流、压摆率等顶级参数?其次，仅从电子的角度来看，团队在高压模拟放大器的设计和鉴定方面拥有哪种技能?第三，设计团队能否确定并理解相关监管标准及其对设计的影响?

以上讨论的选项和解决方案可以提供多种更高电压和更大电流的组合。但在早期阶段，除了基本电路设计之外，还必须解决许多外部布局和放置问题。这些问题也会影响最终选择的高压放大器方法。

结论

虽然在较低电压下工作具有许多优点，但经常存在需要组合低压和高压电路的需求。如本文所述，如果采取正确的方法并仔细关注产品的选择和实施，同时严格遵循既定标准，便能成功、安全地满足这类需求。