Návrh vysokonapěťového napájení

Vysokonapěťové napájení si můžete samy vyvinout nebo si koupit hotové řešení. Existují dva klasické způsoby:

• Je-li k dispozici pouze zdroj stejnosměrného proudu, lze implementovat spínací DC / DC regulátor
• Pokud je k dispozici síťové napájení, pak lze použít jeden nebo více zdvojovačů napětí (obrázek 1).

Obrázek 1: Základní obvod pro zdvojnásobení napětí, který transformuje 120 VAC rms (špičkové napětí je 170 VAC) na stejnosměrné napětí o dvojnásobném špičkovém napětí. (Zdroj obrázku: Lewis Loflin, Bristol Watch)

Základní transformátor zdvojnásobuje špičkovou hodnotu střídavého proudu na stejnosměrné napětí o dvojnásobné hodnotě. Množství proudu, které může zdvojovač poskytnout, je dán velikostí kondenzátoru, takže vyšší proud vyžaduje vyšší kapacitu. Tyto kondenzátory musí být konstruovány pro vysoké napětí, protože standardní nízkonapěťové kondenzátory selžou nebo mohou dokonce explodovat. Kvůli vysokému napětí musíme vhodně volit uspořádání součástek na desce. Jedná se o dodržování vzdáleností mezi spoji, dodržet vzdálenosti mezi živými částmi a konstrukcí. Kde dochází ke kontaktu s uživatelem, může přeskočit napětí a celé zařízení se tak stane nebezpečným. Vše je popsáno v technických normách, které je nutné dodržet.

Z těchto důvodů mnoho inženýrů dává přednost hotovému řešení vysokonapěťového napájení, jako je EMCO Series AG01P-5 od společnosti XP Power (obr. 2). Jeho tloušťka je pouhých 3,25 milimetrů (mm) a objem je necelých 1639 mm³. Vstupním napětím je stejnosměrného napětí o hodnotě pouhých 0,7 až 5 voltů, ale přitom je schopen generovat výstupní napětí 100 voltů s proudem 10 mA. Je galvanicky isolován až do hodnoty 500 voltů, což je v mnoha situacích vyžadováno pro správnou funkci systému a bezpečnost uživatele i zařízení.

Obrázek 2: Malý převodník DC / DC řady EMCO AG01P-5 od společnosti XP Power (Zdroj obrazu: Napájení XP)

Pro aplikace, které potřebují vyšší napětí nebo proud, nabízí společnost XP Power i další dodavatelé jednotky, které mohou dodat stovky i tisíce voltů s proudem několika set mA. Některé pracují se vstupním napětím stejnosměrným a jiné jsou napájeny ze sítě AC. Použitím hotového řešení od důvěryhodného dodavatele vyřeší veškerou problematiku spojenou s vlastním návrhem. Veškeré technické a regulační problémy jsou jednoduše vyřešeny.

Návrh analogové části

Jakmile máme vyřešen zdroj energie, dalším problémem je vysokofrekvenční analogové zesílení pro zátěž. Existují situace, které vyžadují pouze statické stejnosměrné napětí pro předpětí zesilovače a nepotřebují dynamický, kontrolovatelný a zesílený signál. V těchto případech je potřebný pouze zdroj, v některých případech nastavitelný na určitou stálou hodnotu. Můžete si zvolit tři způsoby implementace vysokofrekvenčního operačního zesilovače. První způsob je použití standardního operačního zesilovače s nízkým napětím, ale na výstupu se přidají pomocné tranzistory (obrázek 3). To má za následek přeměnu nízkého napětí na vyšší rozsah napětí. Zde se používá jako zesilovací jádro přesný, vysokorychlostní operační zesilovač LT1055 od  Analog Devices s výstupem zesílený na hodnotu ± 125 voltů mezi třemi páry PNP / NPN tranzistorů.

Obr. 3: Řešení přidání doplňkových zesilovačů k základnímu zesilovači LT1055. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Tento přístup je životaschopný a může udělat potřebnou práci, ale vyžaduje značný počet dalších aktivních a pasivních diskrétních komponent. Navíc vybrané typy tranzistorů NPN / PNP musí mít velice shodné parametry – zesílení (gain), rychlost přeběhu (slew rate), aby zajistily symetrii při bipolárním provozu. Proto je nutné při návrhu provádět dokonalé simulace například pomocí prostředí Spice nebo podobného programu, včetně vlivu všech možných tolerancí parametrů.

Druhou možností je použití operačního zesilovače, který je přímo navržen pro vysokonapěťový provoz. Není to monolitická součástka, ale je to několik součástek sestavených do jednoho modulu. Je často používán ve spojení s menším, nízkonapěťovým operačním zesilovačem, který pracuje primárně jako signální vyrovnávací paměť. Jedním z příkladů je dvojitý vysokonapěťový zesilovač PB64 od společnosti Apex Microtechnology. Je navržen pro napětí a proud malého výkonu. Obvykle je umístěn v 12-pólovém elektricky izolovaném SIP pouzdru o velikosti 31 mm × 20 mm × 7 mm  (Obr. 4). Používá se ve vědeckých a testovacích přístrojích pro testování výkonových polovodičů a LED / LCD polí.

Obrázek 4: Vysokofrekvenční zesilovač PB64 od společnosti Apex Technology (Zdroj obrázku: Apex Microtechnology)

Maximální výstupní napětí PB64 je ± 75 voltů, takže není tak vysoké jako u diskrétního řešení zmíněného výše, ale má dvě relativní výhody. Vyžaduje jen několik pasivních komponent s použitím operačního zesilovače jako bufferu a může dodat až ± 2 A, což je významné množství energie (obrázek 5).

Obrázek 5: Ve většině aplikací se používá vysokonapěťový PB64 zesilovač se standardním operačním zesilovačem jako vstupním bufferem, aby byl zajištěn konzistentní vstupní signál a zatížení. (Zdroj obrázku: Apex Microtechnology)

Při studii datasheetu se nezapomeňte podívat na kritické statické a dynamické výkonnostní charakteristiky - bezpečnostní oblast provozu (SOA) a pulzní odezvu (obrázek 6).

Obrázek 6: Pulsní odezva pro vysokonapěťový zesilovač PB64. (Zdroj obrázku: Apex Microtechnology)

Některé aplikace s vyšším napětím potřebují různé kombinace napětí a proudu. U dotykových piezoelektrických převodníků, může být potřebné napětí vyšší, než je PB64 od Apexu schopen dodat, ale požadavky na proud jsou mnohem nižší.  V těchto situacích lze použít integrovaný boost konvertor DRV8662 od Texas Instruments. Díky němu může piezo dotykový driver generovat ± 200 voltů s kapacitou 100  nF. To vše ze vstupního napětí pouhých 3,0 až 5,5 voltů (obr. 7).

Obr. 7: Konstrukce DRV8662 IC od společnosti Texas Instruments, který dodává napětí až  ± 200 V do kapacitní zátěže (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Tento integrovaný obvod vyžaduje pouze několik externích pasivních komponent a umožňuje čtyři nastavitelné zisky pomocí GPIO - 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB a 40,7 dB. Je umístěn v malém pouzdru QFN o rozměru 4 mm × 4 mm × 0,9 mm i když je schopen generovat napětí ± 200 voltů. Díky malým rozměrům je vhodný pro přenosné aplikace, kde velikost hraje značnou roli. Také je jeho výhoda v tom, že je schopen toto napětí generovat z malého vstupního stejnosměrného napětí. V aplikaci s piezoelektrickým měničem jako pohonem by mohl být hnací signál nastaven digitálně-analogovým převodníkem (DAC), který je řízen procesorem (obr. 8).

Obrázek 8: DRV8662 umožňuje nastavit čtyři uživatelsky zvolené hodnoty zisku pro nastavení požadovaného rozsahu výstupu. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Normy a regulace

Na rozdíl od návrhů nízkého napětí, kde existují minimální nebo žádné průmyslové a vládní normy pro bezpečnost uživatelů a systémů, je svět s vyšším napětím pravým opakem. V závislosti na regionu světa a konečné aplikaci se specifické standardy liší. Obecně však konstrukce pod 50 až 60 volty mají jen málo nebo žádná omezení. Mezi organizace zabývající se normami patří UL, IRC a IPC.

Se vzrůstajícím napětím rostou také požadavky na fyzické uspořádání konstrukce. Stejně tak si musíme dát pozor na způsoby elektrického selhání konstrukce a její mechanické vlastnosti. Většina regulačních standardů se zaměřuje na úroveň napětí, nikoliv na proud, protože napětí je primárním zdrojem rizika pro obvody a pro uživatele.

Tyto bezpečnostní normy jsou zaměřeny na mnoho otázek, včetně:

• Bude vnitřní uspořádání umožňovat oblouk nebo vzplanutí nebo dokonce hoření materiálů?
• Mechanické poškození (prasklina nebo prasknutím po nárazu) vystaví uživatele nebezpečným potenciálům?
• Mohou být vyšší vnitřní napětí dostupné uživateli?

Standardy definují minimální vzdálenosti pro tzv. "creepage and clearance " při různých úrovních napětí (obr. 9).  Creepage je oddělení mezi dvěma vodivými body na PC desce měřeno podél povrchu desky, zatímco clearance se vztahuje k nejkratší vzdálenosti mezi dvěma vodivými částmi měřenými vzduchem. Při nárůstu napětí se také zvyšují tyto minimální vzdálenosti.

Obrázek 9: Creepage and Clearance jsou hlavními faktory, které ovlivňují uspořádání a mechanickou konstrukci ve vysokonapěťových obvodech a systémech. (Zdroj obrázku: Technická příručka pro návrh PCB)

Normy také zahrnují kritéria pro různé provozní prostředí (prach, vlhkost a další částice). Je nutné se věnovat normám a směrnicím důsledně, jelikož výklad norem je někdy komplikované a matoucí. Projekt, který nesplňuje příslušné standardy, nedostane důležitou certifikaci. Posunutí problémového bodu jen o milimetr, aby vyhověl daným normám, může způsobit problémy v konstrukci, které musí být následně vyřešeny.

Rozhodnutí

Rozhodování, kterou metodu zvolit při vývoji vysokých napětí - zesilovací tranzistory, hybridní modul nebo použít integrovaný obvod – není jednoduché. Je nutné přihlédnout, zda metoda splňuje požadavky na proud, napětí, rychlost přeběhu (tzv. slew rate) a další. Správně odhadnout dovednost vývojového týmu v oblasti návrhu vysokonapěťového analogového zesilovače. A v neposlední řadě je správné porozumění norem a jejich aplikaci. Kromě návrhu základního obvodu však existuje mnoho problémů s externím uspořádáním součástek, které je nutné řešit již v počátečních fázích vývoje. Tyto problémy budou mít vliv na výběr vysokonapěťové zesilovače.

Závěr

Provoz elektronického zařízení na nižších napětích má mnoho výhod, často ale existuje nutnost kombinovat obvody s nízkým a vysokým napětím. Příkladem může být automatizace budov. Řízení světel kombinuje vysoké napětí pro činnost stmívače a nízké napětí pro aplikační část – například komunikace po Zigbee, Bluetooth či KNX. Z článku je vidět, že vše může být provedeno úspěšně a bezpečně, pokud se hned z počátku vývoje budou dodržovat správné postupy s důrazem na výběr a realizaci daného řešení, stejně jako dodržování a použití zavedených standardů.