应用笔记 5131

Maxim用于工业超声设备的高压方案

By: Luigi Franchini

摘要 : 目前大多数超声发射IC都是针对医疗应用设计的,不一定满足工业需求。工业应用中,如非破坏性试验(NDT)、流量计、声纳等,通常具有不同的电压、电流、频率要求。Maxim的高压(HV)产品由于具有很大的灵活性,可广泛用于工业设计。本文介绍了MAX4940四路高压数字脉冲发生器和MAX4968高压多路复用器(MUX)的各种应用。

目录

综述

MAX4940高压数字脉冲发生器

图1给出了MAX4940的基本功能图,其中包括4个通道的高压数字脉冲发生器(图中只画出了4个通道中的一个)。
  • S1和S2开关(分别连接VPP_和VNN_)具有200V耐压和2A驱动能力。
  • S3开关(数据资料中称为箝位开关)具有200V耐压和1A电流驱动能力。
  • 数字脉冲发生器可以工作在双极性和单极性应用,支持下列应用:
    • [VPP, VNN] = [+100V, -100V]双极性脉冲
    • [VPP, VNN] = [0, -200V]单极性负脉冲应用
    • [VPP, VNN] = [+200V, 0]单极性正脉冲应用
  • INP_和INN_分别控制开关S1和S2。
  • INC_控制开关S3 (箝位),但也受S1和S2制约。大多数应用中,INC_不需要驱动,可以始终将其保持高电平,而只驱动器INP_和INN_。此时,每次S1和S2关闭后,S3都会激活。
图1. MAX4940功能框图(4个通道的其中一路)
图1. MAX4940功能框图(4个通道的其中一路)

表1. MAX4940真值表
INP_ INN_ CLP_ OUT_
X X X High-Z
0 0 0 High-Z
0 0 1 GND
0 1 X VNN_
1 0 X VPP_
1 1 X Not allowed

MAX4968高压模拟开关

图2给出了MAX4968功能图,具有16路独立的高压模拟开关。每个开关的内部状态可通过SPI™接口编程。大多数超声应用中,高压模拟开关用于实现高压复用器。
  • SW1A、SW1B摆幅可达VNN至VNN + 200V。
  • 高压模拟开关可以支持双极性和单极性应用,输入/输出电压范围可以是下列情形之一:
    • (SW_)范围 = [+100V, -100V]双极性
    • (SW_)范围 = [0, -200V]单极性负脉冲
    • (SW_)范围 = [+200V, 0]单极性正脉冲
  • 根据输入信号的幅度和极性,VNN可以在0V至-200V范围变化。VNN可以和脉冲发生器(发射电路)共用负电源。
  • VPP采用低压供电(仅为10V)。
  • 等效RON在整个输入范围保持平坦(大约20Ω),导通电容为16pF。
图2. MAX4968功能框图
图2. MAX4968功能框图

支持应用

Maxim的高压脉冲发生器和开关采用独特设计,可以工作在双极性和单极性应用(大多数工业超声波应用为单极)。Maxim的解决方案可以很好的缩小整体尺寸并简化系统,特别是在单极性应用中。下面展示了双极性和单极性发射功能图和时序图。外部干扰抑制二极管可以在一些个案中省略。

双极性脉冲

图3. MAX4940典型的4通道双极性数字脉冲发生电路
图3. MAX4940典型的4通道双极性数字脉冲发生电路

图4. 使用MAX4940和MAX4968双极性应用,大大简化高压供电设计
图4. 使用MAX4940和MAX4968双极性应用,大大简化高压供电设计

注:
  1. 为方便起见,只有两个通道连接到MAX4968,配置为1:2高压MUX。
  2. 只需要两个高压电源(VPP,VNN)。
  3. MAX4940的裸焊盘(图4没有画出)必须连接到VNN
图5. MAX4940和MAX4968在双极性、负脉冲应用中的脉冲、开关信号波形
图5. MAX4940和MAX4968在双极性、负脉冲应用中的脉冲、开关信号波形

:CLP_始终为高电平。每个通道只需要2个控制信号,提供3电平发射。

单极性正脉冲

图6. MAX4940在单极性正脉冲中的应用
图6. MAX4940在单极性正脉冲中的应用

图7. MAX4940和MAX4968在单极性中的应用,减少对高压电源的需求
图7. MAX4940和MAX4968在单极性中的应用,减少对高压电源的需求

注:
  1. 只需要一个高压电源。
  2. 注意,CGN_可以直接连接到CDN_,使每个通道省去一个电容。
  3. MAX4940不再需要VEE (VEE接地)。
  4. 信号耦合电容耐压需大于200V。
  5. MAX4940的裸焊盘(未显示)需要接地。
图8. MAX4940和MAX4968在单极性正脉冲应用中的信号时序图
图8. MAX4940和MAX4968在单极性正脉冲应用中的信号时序图

单极性负脉冲

图9. MAX4940的单极性应用
图9. MAX4940的单极性应用

图10. MAX4968和MAX4940在单极性负脉冲中的应用,减少高压电源需求
图10. MAX4968和MAX4940在单极性负脉冲中的应用,减少高压电源需求

注:
  1. 只需一路高压。
  2. MAX4940的裸焊盘(未表示)需要连接VNN
  3. 单极性正脉冲(图6图7)架构比单极性负脉冲架构略有优势(使用更少的外部元件且裸焊盘连接至GND可以改善散热)。
图11. MAX4940和MAX4968在单极性负脉冲应用中的信号波形
图11. MAX4940和MAX4968在单极性负脉冲应用中的信号波形

倍压驱动的BTL架构

工业应用中,往往需要驱动超过200V的变送器。无损检测、流量计或其他应用,使用的变送器可能需要超过200V的脉冲驱动。

MAX4940可以通过桥接(BTL)驱动变送器,产生相当于两倍的激励信号峰峰值。需采用两个MAX4940通道驱动一路变送器。激励电压可高达400VP-P

BTL配置需要使用变送器的两个电极,对于各单元公共端连接到GND的大规模变送器阵列并不适用。

图12给出了一个典型的BTL应用框图,采用单极性配置(该例中是正脉冲)。变送器的负载连接在OUT1_和OUT2_之间。图13所示为一个典型的驱动波形,激励信号的幅度可以达到2 × VPP,即400VP-P

图12. MAX4940的典型桥接负载(BTL)配置
图12. MAX4940的典型桥接负载(BTL)配置

图13. BTL架构的典型驱动波形
图13. BTL架构的典型驱动波形

并联增大驱动电流

工业应用中,有时是需要大于2A的电流驱动能力。这种高驱动能力通常用于驱动高容性负载(nF量级),或工作在高频(例如,30MHz至40MHz)环境。可以将MAX4940的通道并联,以增大电流驱动(2通道 = 4A,3通道 = 6A,并依此类推)。

图14所示,把2个通道并联驱动一个负载单元,可提供4A的单极性脉冲驱动。该图采用的是MAX4940,也可以对MAX4968进行类似配置。相关方案通用适用于双极性和单极性负脉冲应用。将通道并联,可降低输出电阻并增大驱动能力。

图14. 4A单极性正脉冲发生器
图14. 4A单极性正脉冲发生器

MAX4940也可以采用BTL配置,并联通道用来驱动一个负载单元,具有400VP-P 、4A驱动能力(图15)。

图15. MAX4940的BTL结构,提供4A电流驱动
图15. MAX4940的BTL结构,提供4A电流驱动

高频或低频应用

上面讨论的应用电路覆盖大多数情况,不过,还要特别考虑高、低频应用。对于低频信号(< 1MHz)的情况,大多用于声纳系统,频率范围从10kHz至200kHz。

另外,有时需要工作在更高频率(> 20MHz),往往在无损检测中用于改善轴向分辨率或发送PWM调制信号。下面讨论了这两种类型的应用。

低频(< 1MHz)

MAX4940可以工作在低于1MHz的频率下。只需用足够大的电容取代信号耦合电容(上例中为3.3nF)。作为一个经验公式,可以用下式计算:
CSIGNAL = 3.3nF/频率(MHz)
例如,以100kHz应用为例,耦合电容建议采用33nF。MAX4968基于自举结构,不能工作在100kHz频率以下。

高频(> 20MHz)

MAX4940驱动电路可以工作在高频(产生短脉冲),如40MHz。然而,实际情况限制了电流驱动能力。

在一阶近似中,负载可以认为是纯电容(CLOAD)。根据最大压摆率,可以得到脉冲发生器输出的峰值电流(IPEAK)。公式为:
SLEW_RATE = (δV/δt)max = IPEAK/CTOT
CTOT是总负载电容,包括传感器电容、电缆电容和IC寄生电容。

现在假设工作在单极性正脉冲模式(图6),并试图发送一个200V的单极性脉冲。例如,CTOT = 400pF,则摆率限制在:
(δV/δt)max = IPEAK/CTOT = 2A/300pF = 6.66V/ns
由此,上升和下降时间大约是:
TRISE = TFALL ≈ 200V/(6.66V/ns) = 30ns
幅度为200V的最小脉冲宽度大约为60ns。

当然,双极性和单极性负脉冲也可以按同样方式计算。

按照上面介绍的方法,可以增加电路的电流驱动能力(IPEAK),并联更多通道(注意:IC寄生电容也会相应增大),据此提高工作频率。举例来说,如图14所示的4A脉冲发生器,可以在理论上(忽略IC寄生电容)获得TRISE = TFALL = 15ns的200V输出摆幅。
IPEAK = 4A,CTOT = 300pF,摆幅 = 200V 最小脉冲宽度 = 30ns
其它工作模式,如双极性和单极性负脉冲,也可以采用类似途径。
下一步
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