Hoge spanningen effectief en veilig regelen en versterken met de juiste hoogspannings-opamp

Er zijn veel toepassingen die operationele versterkers (opamps) vereisen die vanwege de aard van hun ingangssignaal of de kenmerken van de uitgangsbelasting bij hoge spanningen (van meer dan 60 V - 100 V) moeten kunnen werken. Voorbeelden van dergelijke toepassingen zijn piëzodrivers in inkjet- en 3D-printers, ultrasoon-transducers en andere medische instrumenten, ATE-drivers en generators van elektrische velden.

Dit zijn geen typisch opamps, aangezien ze moeten voldoen aan slew-rate vereisten ten aanzien van niet-resistieve (inductieve, capacitieve) belastingen, een strikt geregelde voeding vereisen en omdat — zodra de voltages boven de 60 V komen —de ontwerper tegen strenge en ingewikkelde, door de regelgeving opgelegde eisen aanloopt. Afhankelijk van de toepassing, kunnen er ook hoge stroomwaarden zijn, waardoor aan thermisch beheer gerelateerde problemen kunnen ontstaan.

Om deze problemen aan te pakken, zijn er standaard monolithische en hybride hoogspannings-opamps die op speciale processen zijn gebaseerd. Aan de selectie, opname in het ontwerp en lay-out van dergelijke opamps moet echter speciale aandacht worden besteed, om te garanderen dat op consistente en veilige wijze aan de doeleinden van het systeemontwerp word voldaan. In dit artikel wordt gekeken naar op hogere spanningen werkende opamps (>100 V) in hun unieke (maar verbazingwekkend) algemene toepassingen en naar hoe men deze met succes toepast.

Waarom is een hoge spanning nodig?

Er zijn talrijke en uiteenlopende toepassingen te noemen die representatief zijn voor op hoge spanning werkende opamps. De meesten van deze opamps hebben zowel hogere voltages als nauwkeurige regeling nodig bij het ontwikkelen van de spanningsversterkte versie van hun laagspannings-ingangssignaal. In de meeste gevallen zijn dit geen aan/uit hoogspanningssignalen en is er dus een lineaire versterker nodig in plaats van een simpelere hoogspanningsschakelfunctie. Voorbeelden van dergelijke toepassingen, die vaak een bipolaire uitgang vereisen, zijn:

• Piëzodrivers in inkjetprinters, ultrasoon-transducers en kleppen met precieze doorstroommeting
• Drivers voor automatische testapparatuur (automatic test equipment - ATE) die worden gebruikt om andere IC's, hybride apparaten en modules op hun volle vermogen te kunnen laten werken.
• Wetenschappelijke instrumenten zoals Geiger-tellers
• De hoge-intensiteit laserdiodes die in de automotive sector worden gebruikt voor lichtdetectie en verschillende (LiDAR) beeldvormingssystemen
• Het genereren van elektrische velden zoals vaak gebruikt in biomedische tests op vloeistoffen

Veel van deze systemen werken, tenminste gedeeltelijk, op hogere spanningen maar hebben een lage tot middelhoge stroom (10 tot 100 mA) en zijn dus geen “hoog vermogen”-systemen in de gebruikelijke zin van het woord. Hieruit vloeit voort dat de nadruk in het ontwerp meer op de regeling en levering van het benodigde voltage wordt gelegd dan op het beheren van de gegenereerde warmte.

Een opamp die 100 V aan een belasting levert bij 100 mA, vraagt bijvoorbeeld slechts een bescheiden 10 W van de voeding (plus wat extra vermogen voor interne verliezen, meestal 20% tot 30%). Alhoewel dit zeker geen “micropower”-scenario is, is het ook niet noodzakelijkerwijs een ingewikkeld thermisch scenario, aangezien het grootste deel van die 10 W naar de belasting gaat en dus niet wordt afgevoerd via de elektronische componenten Toch blijft thermische dissipatie natuurlijk wel iets dat in een ontwerp altijd de nodige aandacht moet krijgen.

Hier volgen enkele algemene problemen waarmee de ontwerper wordt geconfronteerd in samenhang met hoogspanningsversterking via een opamp:

• Het kiezen en toepassen van een geschikte opamp
• Het optimaliseren van de prestaties van het hoogspanningsapparaat
• Het vinden van de DC-hoogspanningsrails voor de opamp, die hetzelfde kunnen zijn als de voeding van de belasting
• Zorgen voor hoogspanningsveiligheid en voldoen aan regels en voorschriften in de lay-out en constructie

Het kiezen en toepassen van de opamp

Een hoogspannings-opamp is niet hetzelfde als een traditionele versterker In het algemeen levert een versterker vermogensversterking bij een bepaalde combinatie van spanning en stroom, en gewoonlijk naar een resistieve belasting. Een opamp is daarentegen geconfigureerd om de spanning te verhogen terwijl een gespecificeerde maximale stroom aan de belasting wordt geleverd. Daarnaast kan de opamp worden geconfigureerd voor vaste of instelbare versterking en worden gebruikt in uiteenlopende topologieën naast het "eenvoudige" spanningsversterkingsblok.

In het verleden waren de meeste voor lineaire functies zoals opamps gebruikte IC-processen beperkt tot een maximum van rond de 50 V. Om een opamp met hogere spanning te creëren, voegden ontwerpers externe, discrete hoogspanningastransistors op de uitgang toe om als spanningsboosters te fungeren. Het gebruik van Analog Devices' LT1055 precisie JFET-opamp in een circuit met complementaire booster-transistors om ±120 V te leveren wordt getoond (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: een benadering om opamp-uitgangen met hogere spanning te produceren, is door complementaire boostertransistors toe te voegen aan een basistoestel als de LT1055 van Analog Devices om te profiteren van de ingangskarakteristieken van de opamp; dit ontwerp brengt de uitgang op ±120 V. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit werkt, maar brengt het nadeel met zich mee van een meer gecompliceerde en kostbare BOM in vergelijking met de IC alleen, alsmede onvermijdelijke problemen met de layout. Het is ook een uitdaging om symmetrische prestaties te bereiken en te behouden tussen de richting plus en min gaande schommelingen van de uitgang en ondertussen de vervorming door het nulkruispunt te minimaliseren. Deze problemen zijn gewoonlijk het gevolg van niet op elkaar afgestemde componenten (primair de NPN en PNP transistors) en onbalans in de fysieke lay-out.

De selectie van een op hoge spanning werkende opamp begint bij de evaluatie van de parameters, die voor iedere willekeurige opamp veel gelijkenis vertonen alhoewel de specifieke waarden natuurlijk verschillen. Het proces wordt iets eenvoudiger gemaakt omdat er relatief weinig producten voor hoge spanning worden aangeboden. Overwegingen die een rol spelen bij het ontwerp omvatten drie hoofdgebieden:

1. De allerbelangrijkste factoren zijn de uitgangsspanning, uitgangsstroom, bandbreedte, slew-rate en unipolaire versus bipolaire prestaties
2. Andere punten van aandacht zijn beperkingen in slew-rate en belastingstype, alsmede temperatuur-gerelateerde drift-fouten die zich in de uitgangsgolfvorm kunnen voordoen.
3. Tot slot moet er aandacht worden besteed aan de bescherming tegen thermische overbelasting, te hoge stroom en andere punten die voor alle versterkers in het algemeen gelden

Het overwinnen van beperkingen

Ontwerpers moeten uitvinden welke hoogspannings-opamps niet alleen aan de verplichte criteria van punt 1 voldoen, maar ook voldoende lage foutspecificaties hebben om aan de vereisten te voldoen en ook genoeg ingebouwde bescherming bieden of kunnen worden gemonteerd zonder externe beveiligingen als stroombegrenzing.

Het aanpassen van de prestaties van een apparaat dat aan bijna alle vereisten voldoet, vergt een goed beoordelingsvermogen. Soms schiet ook de "beste" beschikbare opamp bijvoorbeeld nog steeds tekort in één factor, zoals instabiliteit bij de besturing van een capacitieve belasting, of een toereikende uitgangsstroomcapaciteit of overmatige temperatuur-gerelateerde drift. De ontwerper moet kiezen wat het beste is: een andere opamp zoeken, die mogelijk een andere tekortkoming heeft, of de beste nemen en vervolgens de prestaties van deze opamp aanpassen.

Enkele voorbeelden om deze situatie te illustreren:

Capacitieve belastingen: de ADHV4702-1 van Analog Devices is een op hoge spanning werkende precisie-opamp (Afbeelding 2). Het apparaat kan werken op dubbele symmetrische voedingen van ±110 V, asymmetrische voedingen of een enkele voeding van +220 volt en kan uitgangsspanningen van ±12 V tot ±110 V leveren bij maximaal 20 mA.

Zijn open-lusversterking (A_OL) van 170 decibel (dB) is een sleutelfactor voor zijn hoge prestaties. Hij kan gemakkelijk niet al te grote capacitieve belastingen aansturen, maar naarmate deze belasting toeneemt, zullen de polen van zijn overdrachtsfunctie verschuiven, met pieken in de uitgang en mogelijke instabiliteit wegens een verminderde fasemarge als gevolg.

Ontwerpers van opamps bedachten een oplossing voor dit probleem. Door een serieweerstand toe te voegen tussen de uitgang en de pen C_Load kan de opamp belastingen van meer dan 1 microfarad (µF) aansturen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: door een serieweerstand (R_S) tussen de versterkeruitgang en C_LOAD te plaatsen, slaagt de ADHV4702-1 erin om capacitieve belastingen van meer dan 1 μF aan te sturen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het toevoegen van deze weerstand kan echter tot bescheiden belastingspieken leiden (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: R_S vs. C_LOAD voor maximum 2 dB pieken voor de schakeling van Afbeelding 2 bij eenheidsversterking, voedingsspanning van ±110 V en V_OUT = 100 V_p-p. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Als zelfs 2 dB een buitensporige belastingspiek is voor de toepassing, ondersteunt de ADHV4702-1 externe compensatie via een condensator die tussen zijn compensatiepen en de aarde is geplaatst. Door de juiste weerstand en condensator te kiezen is het mogelijk om stabiliteit met capacitieve belastingen te garanderen met een bijna vlakke respons over de gehele bandbreedte (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: frequentierespons van kleine signalen versus externe compensatie voor de ADHV4702-1 bij eenheidsversterking, een voeding van ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω en C_COMP = 5,6 picofarad (pF). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Meer uitgangsstroomsturing: de opamp OPA454AIDDAR van Texas Instruments levert respectievelijk ±5 V tot ±50 V vanaf een enkele voeding van 10 V tot 100 V. Dit is de helft van de nominale uitgangsspanning ten opzichte van die van de ADHV4702-1 (100 V tegen 200 V), maar deze heeft > 2 x de stroomsturing (50 mA versus 20 mA). Deze hoeveelheid extra geleverde en onttrokken stroom kan echter mogelijk niet voldoende zijn voor sommige belastingen, vooral als de belasting kleinere parallel geschakelde belastingen omvat.

Er bestaan twee opties om dit probleem voor de OPA454 aan te pakken. Op de eerste plaats kunnen twee (of meer ) OPA454AIDDAR's parallel worden aangesloten (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: door twee OPA454AIDDAR-opamps parallel aan te sluiten, zal hun uitgangsstroomcapaciteit lineair toenemen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Versterker A1 werkt als de master-versterker en kan voor iedere willekeurige opamp-configuratie worden geconfigureerd, niet alleen als een basisversterkingseenheid. Versterker A2 (dit kan slechts een versterker of meerdere zijn) is een slave. Hij is geconfigureerd als een eenheidversterkingsbuffer die de uitvoer van A1 traceert en onderwijl extra stuurstroom toevoegt.

Een alternatief om meer stroom te verkrijgen dan een enkele versterker of meerdere slaves kunnen leveren, is externe uitgangsstroom-boosttransistors te gebruiken (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: een alternatief voor het parallel plaatsen van OPA454's is externe uitgangstransistors gebruiken. Hierdoor kan zelfs een hogere uitgangsstroom worden verkregen. Hier voeren ze de uitgangsstroom op tot meer dan 1 ampère. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Wanneer de getoonde transistors worden gebruikt kan de configuratie meer dan 1 ampère leveren. Anders echter dan bij het gebruik van extra OPA454-opamps, biedt het complementaire transistorpaar mogelijk niet het benodigde niveau van vervormingsvrije prestaties en lineariteit. Als deze hogere stroom nodig is en de voorkeur wordt gegeven aan een oplossing met transistors, kunnen bijbehorende complementaire PNP/NPN transistorparen nodig zijn.

Temperatuurcoëfficiënt (tempco) en drift: net als bij alle analoge componenten, heeft de tempco invloed op de prestaties en nauwkeurigheid en zal een ingangsfout door temperatuurverandering (dV_OS/dT) deel van de versterkte uitgang uitmaken. Voor de OPA454 is de dV_OS/dT-specificatie tamelijk laag bij ±1,6 μV/°C (typisch) en ±10 μV/°C (maximum) over het gespecificeerde omgevingstemperatuurbereik van –40 °C tot +85 °C.

Als dit teveel is, zal toevoeging van een zogenaamde “nul-drift” opamp als voorversterker voor de hoogspannings-OPA454 de totale drift verminderen (Afbeelding 7). Met de OPA735 van Texas Instruments als nul-drift voorversterker, kan de tempco-drift van de hoogspanningsversterker op de 0,05 μV/°C (maximum) drift van de eerste trap worden gehouden, dit is goed voor een reductiefactor van 200.

Afbeelding 7: door de bijna-nul-drift opamp OPA735 toe te voegen in het ingangspad van de OPA454 wordt een tweetraps, hoogspanningscircuit verkregen met zeer lage ingangsfout door temperatuurverandering. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Thermische problemen en bescherming

Hoewel de stroomniveaus misschien bescheiden zijn, kan interne dissipatie door de hogere spanningen een probleem zijn, vanwege de vergelijking vermogen = spanning x stroom. Thermische modellering is essentieel, te beginnen met de basisvergelijking van junctietemperatuur: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), waar T_J de junctietemperatuur is, T_A de omgevingstemperatuur, P_D de vermogensdissipatie en Θ_JA de thermische weerstand van het pakket tegen de omgeving. Deze laatste wordt bepaald door montagetechnieken en de omgeving, zoals koellichamen, luchtstroom en koper om de printplaat.

Gezien het belang en de aanwezigheid van gegenereerde warmte, bevatten IC's zoals de OPA454 en de ADHV4702-1 thermische uitschakelcircuits. Schakelingen in de OPA454 triggeren bijvoorbeeld automatische thermische uitschakeling waarbij de uitgang naar een hoge impedantietoestand gaat wanneer de interne apparaattemperatuur de 150 °C bereikt. De thermische shutdown blijft actief totdat het apparaat is afgekoeld tot 130 °C, waarna het weer wordt ingeschakeld. Deze hysterese voorkomt aan/uit-oscillatie van de uitgang rond de thermische limiet.

Dissipatielimieten zijn niet alleen een functie van statisch uitgangsvermogen, maar worden ook beïnvloed door de werkingsfrequentie en slew-rate, hetgeen tot overmatige verhitting van de uitgangstrap leidt. Het is van cruciaal belang om de grafieken voor veilige werkgebieden (safe operating area - SOA) voor dergelijke drives die met de statische SOA van de ADHV4702 beginnen (Afbeelding 8) te bestuderen.

Afbeelding 8: het is van cruciaal belang om de grafieken voor veilige werkgebieden (SOA) te bestuderen. De DC SOA van de ADHV4702-1 wordt vertegenwoordigd door het gebied onder de krommen, bij omgevingstemperaturen van 25 °C en 85 °C, met een versterking van 20 V en een voedingsspanning van ±110 volt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dynamische SOA is ook een probleem. De ADHV4702-1 heeft een intern circuit voor het boosten van de slewrate om zijn kleine-signaal-bandbreedte van 19 megahertz (MHz) en slew-rate van 74 V/microseconde (µs) te behalen, maar dit boostercircuit kan een grotere hoeveelheid stroom verbruiken, afhankelijk van het signaal. Om deze reden kunnen externe diodes worden gebruikt met de ADHV4702-1 om de differentiële ingangsspanning ervan te beperken (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: externe diodes in de ingang van de ADHV4702-1 beschermen het apparaat tegen de thermische effecten van de hoge stroom van het boostercircuit door de differentiële ingangsspanning ervan te beperken. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit beschermt de versterker in dynamisch bedrijf, maar beperkt slewrate en grote signaalbandbreedte en begrenst zo de stroom die wordt geproduceerd door het boostcircuit van de slewrate en beperkt de interne vermogensdissipatie (Afbeelding 10).

Afbeelding 10: dynamische SOA bij omgevingstemperaturen van 25 °C en 85 °C, met en zonder klemdiode, onder dezelfde condities als de statische SOA. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Niet alle hoogspanningsdrivers bevatten thermische bescherming aangezien de brede SOA een intern circuit te restrictief maakt. De PA52 van Apex Microtechnology is bijvoorbeeld een hoogspanningsversterker met hoog vermogen die maximaal 40 ampère (continu)/80 ampère (piek) kan leveren bij een slewrate van 50 V/µs over een unipolaire of bipolaire spanningsschommeling van 200 V. Omdat de dissipatieniveaus zo hoog kunnen zijn, is de SOA-kaart van dit apparaat een kritisch element in het systeemontwerp, dat zowel DC- als gepulseerde modi dekt (Afbeelding 11).

Afbeelding 11: het SOA voor een versterker met hoge spanning (±100 V), hoge stroom (80/40 A) zoals de PA52 van Apex Microtechnology, kan over een breed bereik variëren, afhankelijk van de bedrijfsmodus, stationaire toestand of pulsmodus. (Bron afbeelding: Apex Microtechnology)

Voor de PA52 willen ontwerpers hoogstwaarschijnlijk een externe high-side stroommetende weerstand toevoegen tussen uitgang en belasting om de uitgangsstroom te meten en zo het vermogen te bepalen. Bij het dimensioneren van deze weerstand moet altijd de beste middenweg worden gevonden tussen een hoge en een lagere weerstandswaarde. Een hogere weerstand levert een groter signaal en een hogere signaal-ruisverhouding (SNR) op, terwijl een lagere weerstand zowel de zelf-dissipatie van de weerstand als de vermindering van het geleverde uitgangsvermogen minimaliseert.

Een goed startpunt is om de weerstandswaarde zo te selecteren dat de spanning die eroverheen wordt ontwikkeld 100 mV is bij maximale belastingsstroom. Ook moet het detectiecircuit compatibel zijn met hoge common-mode voltages (CMV). In de meeste gevallen zal om meerdere redenen een geïsoleerd detectiecircuit nodig zijn: integriteit van het gedetecteerde signaal, bescherming van de overige circuits, veiligheid van de gebruiker.

Problemen in verband met voeding en regelgeving

Een hoogspanningsversterker is veel meer dan alleen een schema en een BOM (stuklijst); de specifieke kenmerken van de fysieke layout zijn namelijk van kritiek belang. Voor circuits die op spanningen boven de 60 V werken, krijgen te maken met implementatieveiligheidskwesties en normen (de werkelijke waarde is afhankelijk van de uiteindelijke toepassing en het land/de regio). Voor deze ontwerpen met hogere spanningen, moeten gebruikers beslissen hoe ze de hoogspanning willen scheiden van de veiligere laagspanning. Hierbij kunnen een of meer mechanische hulpmiddelen, zoals barrières, vergrendelingen, isolatie of tussenruimte, bij betrokken zijn.

Daarnaast moet de layout voldoen aan de voorschriften ten aanzien van minimale kruip- en spelingwaarden voor componenten en printplaatsporen om vlambogen en vonkoverslag te voorkomen. Deze waarden zijn afhankelijk van het voltage en de verwachte bedrijfsomgeving (vochtigheid en stof of juist een schone, droge omgeving). Het kan zinvol zijn om de hulp in te roepen van een consultant die deskundig is op deze gebieden, aangezien de normen ingewikkeld zijn en veel subtiliteiten bevatten, terwijl het formele goedkeuringsproces zowel analyses van de lay-out van het ontwerp, de constructie, de materialen, de afmetingen en materialen als een proefmodel voor testdoeleinden vereist.

In principe is een AC/DC- of DC/DC-voeding met een laag-naar-hoog-spanning eenvoudig en kan worden gebouwd met behulp van een dubbelzijdige gelijkrichter (voor wisselstroom), samen met een schakeling voor spanningsvermenigvuldiging bestaande uit diodes en condensators. Er zijn echter veel praktische problemen bij het ontwerp van hoogspanningsvoedingen, er dient bijvoorbeeld voor te worden gezorgd dat deze passieve apparaten de juiste spanningswaarden hebben.

Zelfs de plaatsing van de voeding is een probleem. In toepassingen die alleen een laagspanningsvoeding hebben (in de orde van tientallen volt of minder) kan het zinvol zijn om draden met een lagere spanning naar een 'geblokkeerd uit'-spanningsvermenigvuldiger te leiden die zich nabij de hoogspannings-opamp-functies bevindt. De stroomafname bij lagere spanning betekent echter extra daling van de stroomweerstand (IR) en I²R vermogensverlies in die draden, en dat kan zwaarder wegen dan de voordelen die de scheiding oplevert. De andere optie is om de hoogspanningsdraden over de afstand te laten lopen, waardoor het verlies wordt verminderd en voordelen worden behaald ten aanzien van de veiligheid en wettelijke beperkingen.

De beslissing tussen maken of kopen

Wat de plaatsing ook is, meestal is het logisch om de hoogspanningsvoeding te kopen in plaats van te proberen deze te ontwerpen en te bouwen, tenzij het ontwerpteam echt heel deskundig en ervaren is. Er zijn veel problemen in samenhang met deze voedingen en het is moeilijk om een certificering te verkrijgen. Een voeding doet veel meer dan alleen een ingangsspanning nemen en deze in de gewenste uitgang transformeren:

• Hij moet nauwkeurig en stabiel zijn
• Hij moet voldoen aan de prestatiedoelstellingen ten aanzien van rimpelstroom en transiënten
• Hij moet verschillende beveiligings- en uitschakelfuncties bevatten
• Hij moet aan EMI-standaarden voldoen
• Hij moet wellicht galvanisch geïsoleerd zijn

Er zijn vele voedingen met een hogere spanning beschikbaar, variërend van modellen met een lage stroomsterkte tot modellen die heel wat ampères kunnen leveren. De FS02-15 van de EMCO High Voltage Division van XP Power is bijvoorbeeld een op pc-bord gemonteerde geïsoleerde hoogspanningsmodule (Afbeelding 12). Zijn afmetingen zijn 57 millimeter (lengte) × 28,5 mm (breedte) × 12,7 m (hoogte), hij werkt op een 15 volt DC-voeding en levert 200 V (±100 V) bij 50 mA. De module voldoet aan alle vereisten ten aanzien van prestaties en regelgeving en bevat tevens de functies die nu standaard zijn en van een volwaardige voeding worden verwacht.

Afbeelding 12: standaard voedingen zoals de FS02-15 van XP Power, die ±100 V levert bij 50 mA vanaf een voedingsrail van 12 volt, elimineert de veiligheidsgerelateerde ontwerp- en regelgevingsproblemen en biedt geïsoleerde stroom voor hoogspannings-opamps. (Bron afbeelding: XP Power)

Conclusie

Op hoge spanning werkende opamp zijn een noodzaak in veel elektronische systemen, zoals instrumentatie, geneeskunde, fysica, piëzo-elektrische transducers, laserdiodes en nog veel meer. Hoewel ontwerpers zich kunnen richten op opamps die compatibel zijn met dergelijke spanningen, is het, met het oog op de prestaties, de thermische effecten, de regelgeving en veiligheidsimplicaties van hun werking met > 100 volt, belangrijk dat men de attributen en beperkingen ervan goed begrijpt.