Maxim工业应用超声设备的高压方案

0

MAX4940高压数字脉冲发生器

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。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(数据手册中称为箝位开关)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功能图
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_) range = [+100V, -100V]双极性
(SW_) range = [0, -200V]单极性负脉冲
(SW_) range = [+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。

图3. MAX4940典型的4通道双极性数字脉冲发生电路。
双极性脉冲

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
注：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在一个单极性正脉冲应用。

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

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。
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和图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

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，400 VP-P。

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。
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)。
如图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
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
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)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/freq(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。

0