ควบคุมและขยายแรงดันไฟฟ้าสูงอย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัยด้วย Op Amp สำหรับไฟฟ้าแรงสูงที่เหมาะสม

มีรูปแบบการใช้งานมากมายที่ต้องใช้แอมพลิฟายเออร์เชิงดำเนินการ (op-amps) ที่สามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้ากำลังสูง (มากกว่า 60 V ถึง 100 V) ขึ้นอยู่กับลักษณะของสัญญาณอินพุตหรือคุณลักษณะของโหลดเอาต์พุต รูปแบบการใช้งานเหล่านี้รวมถึงไดรเวอร์ Piezo ในเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ทและเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ตลอดจนตัวรับคลื่นอัลตราโซนิคและอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่น ๆ ไดรเวอร์ ATE และแหล่งกำเนิดสนามไฟฟ้า

สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ op-amps แบบทั่วไป เนื่องจากต้องพิจารณาควบคู่กับสลูว์เรท (slew rate) เมื่อเจอกับโหลดที่ไม่มีความต้านทาน (แบบตัวเหนี่ยวนำ แบบตัวเก็บประจุ) ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด และเมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 60 V ผู้ออกแบบต้องดำเนินการอย่างเข้มงวดและเป็นไปตามข้อกำหนดที่มีการบังคับไว้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับรูปแบบการใช้งาน ทั้งอาจใช้กับกระแสไฟฟ้าแรงสูง จนนำไปสู่ปัญหาการจัดการเกี่ยวกับอุณหภูมิ

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ มี op-amps สำหรับไฟฟ้าแรงสูงแบบเชิงเดี่ยวและไฮบริดที่ได้มาตรฐานที่พร้อมใช้งานตามกระบวนการเฉพาะเหล่านั้น อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการพิจารณาเป็นพิเศษในการเลือก การออกแบบ และวางเลย์เอาต์เพื่อให้เป็นไปตามวัตถุประสงค์การออกแบบระบบอย่างสม่ำเสมอและปลอดภัย บทความนี้จะกล่าวถึงการใช้ op-amps สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น (>100 V) ในรูปแบบการใช้งานทั่วไปที่มีลักษณะเฉพาะ (แปลกใหม่) และวิธีใช้งานให้ประสบความสำเร็จ

ทำไมต้องใช้กับไฟฟ้าแรงสูง?

รูปแบบการใช้งานอื่น ๆ ที่สามารถใช้แทน op amps สำหรับไฟฟ้าแรงสูงนั้นมีมากมาย โดยส่วนใหญ่ต้องการทั้งแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นพร้อมกับการควบคุมที่แม่นยำ ในขณะที่พวกเขาพัฒนาเวอร์ชันการรับแรงดันไฟฟ้าจากสัญญาณอินพุตแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำ ในกรณีส่วนใหญ่ รูปแบบการใช้งานเหล่านี้จะไม่เปิด/ปิดสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าได้เอง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องขยายสัญญาณเชิงเส้น แทนที่จะเป็นฟังก์ชันสวิตช์ไฟฟ้าแรงสูงที่ง่ายกว่า รูปแบบการใช้งานเหล่านี้บางส่วน ซึ่งมักจะต้องใช้เอาต์พุตแบบสองขั้ว ได้แก่:

• ไดรเวอร์ Piezo ในเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท ตัวรับคลื่นอัลตราโซนิค และวาล์ววัดการไหลที่แม่นยำสูง
• ไดรเวอร์อุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ (ATE) ใช้สำหรับดำเนินการกับ ICs อุปกรณ์ไฮบริด และโมดูลอื่น ๆ ได้อย่างครบวงจร
• เครื่องมือวิทยาศาสตร์ เช่น เครื่องวัดกัมมันตภาพรังสี (Geiger counters)
• เลเซอร์ไดโอดความเข้มสูงของระบบการสร้างภาพในการตรวจจับแสงและวัดระยะ (LiDAR) ของอุตสาหกรรมยานยนต์
• การสร้างสนามไฟฟ้าที่มักใช้ในการทดสอบทางชีวการแพทย์กับของเหลว

ระบบเหล่านี้จำนวนมากทำงาน อย่างน้อยก็ในส่วน ที่มีแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแต่มีกระแสไฟฟ้าต่ำถึงปานกลาง (10 ถึง 100 mA) ดังนั้นจึงไม่ใช่ "กำลังสูง" ในความหมายปกติ ด้วยเหตุนี้ การออกแบบจึงเน้นที่การควบคุมและการจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นมากกว่าการจัดการกับความร้อนที่เกิดขึ้น

ตัวอย่างเช่น op-amp ที่ส่ง 100 V ที่ 100 mA ไปยังตัวรับโหลดที่มีความต้องการเพียง 10 W จากแหล่งจ่าย (บวกกำลังเพิ่มเติมบางส่วนสำหรับการสูญเสียภายใน โดยทั่วไปแล้ว 20% ถึง 30%) แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่ใช่ลักษณะ "กำลังต่ำ" อย่างแท้จริง แต่ก็ไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงความร้อนมากนัก เนื่องจากกำลัง 10 W ส่วนใหญ่จะวิ่งไปที่โหลด ดังนั้นจึงไม่ได้ถูกกระจายออกไปโดยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ อย่างไรก็ตาม การกระจายความร้อนเป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาเสมอเมื่อเข้าสู่กระบวนการออกแบบ

ข้อควรคำนึงเพิ่มเติมในการขยายสัญญาณไฟฟ้าแรงสูงผ่าน op-amp ต่อไปนี้คือปัญหาโดยทั่วไปบางอย่างที่นักออกแบบต้องเผชิญ

• การเลือกและการใช้ op-amp ที่เหมาะสม
• เพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง
• จัดหารางของไฟฟ้าแรงสูง DC สำหรับ op-amp ซึ่งอาจเป็นแบบเดียวกับการจ่ายโหลด
• ตรวจสอบความปลอดภัยจากไฟฟ้าแรงสูงและปฏิบัติตามข้อบังคับในเลย์เอาต์และการก่อสร้าง

การเลือกและการใช้ op-amp

op-amp สำหรับไฟฟ้าแรงสูงไม่เหมือนกับแอมพลิฟายเออร์ทั่วไป โดยทั่วไป แอมพลิฟายเออร์จะให้กำลังขยายที่แรงดันและกระแสไฟฟ้ารวมกัน และปกติจะเข้าไปโหลดที่มีความต้านทาน ในทางตรงกันข้าม op-amp ได้รับการกำหนดค่าให้เพิ่มแรงดันไฟฟ้าในขณะที่ส่งกระแสไฟฟ้าให้ถึงค่าสูงสุดตามที่กำหนดไว้ให้กับโหลด นอกจากนี้ op-amp ยังสามารถกำหนดค่าสำหรับการขยายแบบคงที่หรือแบบปรับได้ และใช้ในโทโพโลยีที่หลากหลายนอกเหนือจากบล็อกการเพิ่มแรงดัน "แบบง่าย"

ในอดีต กระบวนการทาง IC ส่วนใหญ่ถูกใช้สำหรับการทำงานแบบเชิงเส้น เช่น op-amps ถูกจำกัดไว้ที่สูงสุดประมาณ 50 V ในการสร้าง op-amp ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น นักออกแบบได้เพิ่มทรานซิสเตอร์แรงสูงแบบแยกส่วนจากภายนอกที่เอาต์พุตเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวเพิ่มแรงดันไฟฟ้า การใช้ op-amp JFET แม่นยำสูงของ LT1055 จาก Analog Devices ในวงจรที่มีทรานซิสเตอร์เพิ่มแรงดันเสริมที่ส่งแรงดันไฟฟ้า ±120 V ตามที่แสดงใน (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: วิธีหนึ่งในการผลิตเอาต์พุต op-amp สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น คือการเพิ่มทรานซิสเตอร์เพิ่มแรงดันเสริมให้กับอุปกรณ์พื้นฐาน เช่น LT1055 จาก Analog Devices เพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติอินพุตของ op-amp ซึ่งการออกแบบนี้ให้เอาต์พุตไปที่ ±120 V (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices)

แม้ว่าจะใช้งานได้ แต่ก็มีข้อเสียคือมีรายการประกอบที่ซับซ้อนและมีราคาแพงกว่าเมื่อเทียบกับ IC เพียงอย่างเดียว รวมถึงปัญหาด้านเลย์เอาต์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ นอกจากนี้ยังมีความท้าทายในการจัดการและรักษาความสามารถในการรักษาสมดุลระหว่างการสวิงของเอาต์พุตที่เป็นบวกและลบ ในขณะที่ลดการบิดเบือนในการข้ามผ่านจุดศูนย์ให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งปัญหาเหล่านี้มักเป็นผลมาจากส่วนประกอบที่ไม่เข้ากัน (ส่วนใหญ่เป็นทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP) และความไม่สมดุลในการจัดวางเลย์เอาต์ทางกายภาพ

การเลือก op-amp สำหรับไฟฟ้าแรงสูงเริ่มต้นด้วยการประเมินค่าพารามิเตอร์ที่คล้ายกันกับพารามิเตอร์ของ op-amp อื่น ๆ แม้ว่าจะมีตัวเลขเฉพาะที่แตกต่างกันก็ตาม กระบวนการนี้ค่อนข้างง่ายเนื่องจากมีความเกี่ยวข้องกับไฟฟ้าแรงสูงค่อนข้างน้อย การพิจารณาการออกแบบประกอบด้วยสามส่วนหลัก:

1. ปัจจัยที่สำคัญที่สุด ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุต กระแสไฟเอาต์พุต แบนด์วิดท์ สลูว์เรท และประสิทธิภาพระหว่างแบบขั้วเดียวกับสองขั้ว
2. ข้อกังวลอื่น ๆ ได้แก่ ข้อจำกัดของสลูว์เรทและประเภทของโหลด รวมถึงข้อผิดพลาดที่เกี่ยวกับอุณหภูมิ ซึ่งสามารถแสดงในรูปคลื่นสัญญาณเอาต์พุต
3. สุดท้ายคือปัญหาเรื่องการป้องกันการโอเวอร์โหลดจากความร้อน กระแสไฟเกิน และปัญหาอื่น ๆ ที่ส่งผลต่อแอมพลิฟายเออร์ทั้งหมด

การก้าวข้ามข้อจำกัด

นักออกแบบต้องประเมินว่า op-amps สำหรับไฟฟ้าแรงสูงตัวใดที่ไม่เพียงแต่ตรงตามเกณฑ์บังคับ #1 แต่ยังมีคุณสมบัติที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดต่ำเพียงพอที่จะตอบสนองต่อความต้องการ และยังมีการป้องกันในตัวที่ดีพอ หรือสามารถใช้ได้กับการป้องกันจากภายนอก เช่น วงจรจำกัดกระแส

การปรับประสิทธิภาพของอุปกรณ์ให้ตรงตามข้อกำหนดเกือบทั้งหมดต้องใช้วิจารณญาณที่ดี ตัวอย่างเช่น บางครั้ง op-amp ที่ "ดีที่สุด" ที่มีอยู่ยังคงขาดอยู่หนึ่งปัจจัย เช่น ความไม่เสถียรขณะส่งไปโหลดที่เป็นตัวเก็บประจุ หรือความสามารถในการส่งกระแสไฟเอาต์พุตที่เพียงพอ หรือปัญหาเกี่ยวกับอุณหภูมิที่สูงเกินไป นักออกแบบต้องตัดสินใจระหว่างการมองหา op-amp ตัวอื่น ซึ่งอาจมีข้อบกพร่องที่แตกต่างกัน หรือใช้ตัวที่ดีที่สุดแล้วขยายประสิทธิภาพเอา

ตัวอย่างบางส่วนแสดงให้เห็นถึงสถานการณ์นี้:

โหลดที่เป็นตัวเก็บประจุ: ADHV4702-1 จาก Analog Devices เป็น op-amp แม่นยำสูงสำหรับไฟฟ้าแรงสูง (รูปที่ 2) อุปกรณ์สามารถทำงานได้จากแหล่งจ่ายแบบสมมาตรคู่ที่แรงดัน ±110 V แหล่งจ่ายแบบไม่สมมาตร หรือแหล่งจ่ายไฟทางเดียว +220 โวลต์ และสามารถส่งเอาต์พุตได้ตั้งแต่ ±12 V ถึง ±110 V ที่สูงถึง 20 mA

อัตราการขยายแบบวงเปิด 170 เดซิเบล (dB) (A_OL) เป็นปัจจัยสำคัญในการมีประสิทธิภาพสูง อุปกรณ์สามารถใช้กับโหลดที่เป็นตัวเก็บประจุได้พอประมาณ แต่เมื่อโหลดนี้เพิ่มขึ้น ขั้วของฟังก์ชั่นการถ่ายโอนจะเลื่อนออก ทำให้มันแสดงว่าเอาต์พุตถึงจุดสูงสุดและความไม่เสถียรที่อาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากความต่างของเฟสที่ลดลง

นักออกแบบ op-amp ได้เสนอวิธีแก้ปัญหานี้ การเพิ่มชุดตัวต้านทานระหว่างเอาต์พุตและพิน _โหลด C ช่วยให้สามารถใช้ op-amp กับโหลดที่ขนาดใหญ่มากกว่า 1 ไมโครฟารัด (µF) ได้ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: การวางชุดตัวต้านทาน (R_S) ระหว่างเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์และ_โหลด C ช่วยให้ ADHV4702-1 ใช้กับโหลดที่เป็นตัวเก็บประจุที่ขนาดใหญ่กว่า 1 μF (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices)

อย่างไรก็ตาม การเพิ่มตัวต้านทานนี้อาจทำให้โหลดขนาดเล็กถึงจุดสูงสุดได้ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: R_S เทียบกับ _โหลดC สำหรับจุดสูงสุด 2 dB สำหรับวงจรของรูปที่ 2 ที่อัตราขยายแบบเดียวกัน แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า ±110 V และ V_ออก = 100 V_p-p (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices)

ถ้าแม้ 2 เดซิเบลมีโหลดที่ถึงจุดสูงสุดมากเกินไปสำหรับการใช้งาน ADHV4702-1 รองรับการเสริมจากภายนอกผ่านตัวเก็บประจุที่วางไว้ระหว่างพินเสริมกับกราวด์ ด้วยการเลือกตัวต้านทานและตัวเก็บประจุอย่างเหมาะสม ทำให้มั่นใจได้ถึงความเสถียรกับโหลดที่เป็นตัวเก็บประจุที่มีการตอบสนองที่สม่ำเสมอตลอดแบนด์วิดท์ทั้งหมด (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: การตอบสนองความถี่สัญญาณขนาดเล็กเมื่อเทียบกับการเสริมจากภายนอกสำหรับ ADHV4702-1 ที่อัตราขยายแบบเดียวกัน การจ่ายที่ ±110 V V_ออก = 100 V_p-p , R_f = 0 Ω และ C_COMP = 5.6 พิโกฟารัด (pF) (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices)

แรงขับกระแสไฟเอาต์พุตเพิ่มเติม: op-amp OPA454AIDDAR ของTexas Instruments ส่ง ±5 V ถึง ±50 V จากแหล่งจ่ายทางเดียว 10 V ถึง 100 V ตามลำดับ อัตรานี้เป็นครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตของ ADHV4702-1 (100 V เทียบกับ 200 V) แต่มีแรงขับกระแสไฟฟ้า >2 เท่า (50 mA เทียบกับ 20 mA) อย่างไรก็ตาม ปริมาณของแหล่งจ่าย/กระแสไฟเพิ่มเติมนี้อาจไม่เพียงพอสำหรับโหลดบางประเภท โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากโหลดประกอบด้วยโหลดที่มีขนาดเล็กหลายตัวต่อแบบขนาน

มีสองตัวเลือกที่จะแก้ไขปัญหานี้สำหรับ OPA454 ขั้นแรก คุณสามารถเชื่อมต่อ OPA454AIDDAR สองตัว (หรือมากกว่า) แบบขนานกันได้ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: การวาง op-amps OPA454AIDDAR สองตัวแบบขนานจะเพิ่มความสามารถส่งกระแสไฟเอาต์พุตให้เสถียร (แหล่งที่มาของภาพ: Texas Instruments)

แอมพลิฟายเออร์ A1 ทำหน้าที่เป็นแอมพลิฟายเออร์หลัก และสามารถกำหนดค่าสำหรับการตั้งค่า op-amp ใด ๆ ได้ทั้งหมด ไม่ใช่แค่เป็นหน่วยขยายตามพื้นฐาน แอมพลิฟายเออร์ A2 ซึ่งอาจจะมีแค่ตัวเดียวหรือหลายตัวก็ได้ จะเป็นหน่วยย่อย มันถูกกำหนดค่าเป็นบัฟเฟอร์ส่วนขยายแบบเดียวกันโดยที่จะคอยตามเอาต์พุตของ A1 ในขณะที่ช่วยเพิ่มแรงขับให้กระแสไฟฟ้า

อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับการรับกระแสได้มากขึ้นกว่าที่แอมพลิฟายเออร์ตัวเดียวหรือหน่วยย่อยหลายตัวจะสามารถจ่ายได้ คือการใช้ทรานซิสเตอร์เพิ่มกระแสไฟเอาต์พุตจากภายนอก (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: อีกทางเลือกหนึ่งในการวางอุปกรณ์ OPA454 แบบขนาน คือการใช้ทรานซิสเตอร์เอาต์พุตจากภายนอก สิ่งนี้สามารถบรรลุผลให้ได้กระแสไฟเอาต์พุตที่สูงขึ้น ที่นี้ พวกเขาจะสามารถเพิ่มกระแสไฟเอาต์พุตได้มากกว่า 1 แอมป์ (แหล่งที่มาของภาพ: Texas Instruments)

การใช้ทรานซิสเตอร์ตามที่แสดง การกำหนดค่าสามารถจ่ายไฟได้มากกว่า 1 แอมป์ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ต่างจากการใช้ op-amps OPA454 เพิ่มเติม คือคู่ทรานซิสเตอร์เสริมอาจไม่ได้ให้ประสิทธิภาพต่อการป้องกันความบิดเบือนให้อยู่ในระดับและความเสถียรตามที่ต้องการ หากจำเป็นต้องใช้กระแสไฟฟ้าที่สูงกว่านี้และทรานซิสเตอร์เป็นโซลูชันที่ต้องการ อาจต้องใช้คู่ทรานซิสเตอร์ PNP/NPN เสริมที่เข้ากันได้

ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (tempco) และการเบี่ยงเบน: เช่นเดียวกับอุปกรณ์อนาล็อกทั้งหมด tempco ส่งผลต่อประสิทธิภาพและความแม่นยำ และการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปของอินพุต (dV_OS /dT) จากส่วนของเอาต์พุตหลังจากถูกขยาย สำหรับ OPA454 คุณสมบัติของ dV_OS /dT ค่อนข้างต่ำที่ ±1.6 μV/°C (โดยทั่วไป) และ ±10 μV/°C (สูงสุด) ในช่วงอุณหภูมิแวดล้อมที่ระบุไว้ที่ –40°C ถึง +85°C

หากตัวเลขนี้มากเกินไป ให้ทำการเพิ่ม op-amp ที่เรียกว่า "zero-drift" เป็นแอมพลิฟายเออร์ตัวตั้งต้นก่อนใช้ OPA454 สำหรับไฟฟ้าแรงสูงก็จะช่วยลดการเบี่ยงเบนโดยรวมได้ (รูปที่ 7) ด้วย OPA735 ของ Texas Instruments ถูกวางให้เป็นแอมพลิฟายเออร์ตัวตั้งต้นแบบ zero-drift การเบี่ยงเบน tempco ของแอมพลิฟายเออร์สำหรับไฟฟ้าแรงสูงสามารถรักษาไว้ได้ที่ 0.05 μV/°C (สูงสุด) ของการเบี่ยงเบนในครั้งแรก โดยให้ค่าตัวคูณลดที่ 200

รูปที่ 7: การเพิ่ม p-amp near-zero-drift รุ่น OPA735 ในพาธอินพุตของ OPA454 ส่งผลในสองส่วน วงจรไฟฟ้าแรงสูงกับค่าความเบี่ยงเบนอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปของเอาต์พุตที่ต่ำมาก (แหล่งที่มาของภาพ: Texas Instruments)

ปัญหาด้านความร้อนและการป้องกัน

แม้ว่าระดับกระแสไฟอาจจะมีไม่มากนัก แต่การกระจายภายในเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นอาจเป็นปัญหาได้ ตามสมการ กำลัง = แรงดัน x กระแส การสร้างแบบจำลองความร้อนเป็นสิ่งสำคัญ โดยเริ่มจากสมการพื้นฐานของอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อ: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA) โดยที่ T_J คือ อุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อ T_A คืออุณหภูมิแวดล้อม P_D คือการกระจายกำลังไฟฟ้า และ Θ_JA คือความต้านทานความร้อนของบรรจุภัณฑ์ต่อสภาพแวดล้อม ส่วนต่อมาถูกกำหนดโดยเทคนิคการติดตั้งและสภาพแวดล้อม รวมถึงการระบายความร้อน การไหลของอากาศ และแผ่นปริ้น

โดยตระหนักถึงความสำคัญและความร้อนที่เกิดขึ้น ICs เช่น OPA454 และ ADHV4702-1 ซึ่งรวมวงจรปิดกั้นความร้อน ตัวอย่างเช่น วงจรใน OPA454 มีตัวตัดความร้อนโดยอัตโนมัติ เมื่อบริเวณเอาต์พุตเข้าสู่สถานะเกิดความต้านทานสูง เมื่ออุณหภูมิอุปกรณ์ภายในสูงถึง 150°C โดยระบบตัดความร้อนจะยังคงทำงานจนกว่าจะเย็นลงถึง 130°C จากนั้นอุปกรณ์จึงกลับมาทำงาน ฮิสเทรีซิสนี้ป้องกันการเปิด/ปิดการแกว่งของสัญญาณเอาต์พุตตามขีดจำกัดของความร้อน

ข้อจำกัดของการกระจายไม่ได้เป็นเพียงฟังก์ชันให้กำลังที่จ่ายออกมาคงที่เท่านั้น แต่ยังได้รับผลกระทบจากความถี่ในการทำงานและสลูว์เรทด้วย ซึ่งอาจส่งผลให้ส่วนเอาต์พุตมีความร้อนมากเกินไป สิ่งสำคัญคือต้องศึกษากราฟพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัย (SOA) สำหรับแรงขับใด ๆ โดยที่เริ่มต้นด้วย SOA แบบอยู่กับที่ของ ADHV4702-1 (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: สิ่งสำคัญคือต้องศึกษากราฟพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัย (SOA) SOA ไฟฟ้า DC ของ ADHV4702-1 แสดงโดยพื้นที่ใต้เส้นโค้ง ที่อุณหภูมิแวดล้อม 25⁰C และ 85⁰C โดยมีอัตราขยาย 20 V และการจ่ายไฟ ±110 โวลต์ (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices)

SOA แบบไดนามิกก็ต้องพิจารณาเช่นกัน ADHV4702-1 มีวงจรเพิ่มสลูว์เรทภายในเพื่อให้ได้แบนด์วิดท์สัญญาณขนาดเล็ก 19 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) และสลูว์เรท 74 V/ไมโครวินาที (µs) แต่วงจรเพิ่มกำลังนี้อาจใช้กระแสไฟจำนวนมากขึ้น ขึ้นอยู่กับสัญญาณ ด้วยเหตุนี้ จึงสามารถใช้ไดโอดภายนอกกับ ADHV4702-1 เพื่อใช้การจำกัดส่วนต่างของแรงดันไฟอินพุต (รูปที่ 9)

รูปที่ 9: ไดโอดภายนอกที่อินพุตของ ADHV4702-1 จะปกป้องอุปกรณ์จากผลกระทบทางความร้อนจากกระแสไฟสูงของวงจรเพิ่มกำลังโดยการจำกัดส่วนต่างของแรงดันไฟฟ้าอินพุต (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices)

สิ่งนี้จะปกป้องแอมพลิฟายเออร์ในการทำงานแบบไดนามิก แต่จำกัดสลูว์เรทและแบนด์วิดท์สัญญาณขนาดใหญ่ และดังนั้นทำให้จำกัดกระแสไฟที่เกิดจากวงจรเพิ่มสลูว์เรทและลดการกระจายพลังงานภายในลง (รูปที่ 10)

รูปที่ 10: SOA แบบไดนามิกที่อุณหภูมิแวดล้อม 25°C และ 85°C โดยมีและไม่มีไดโอดแคลมป์ ภายใต้สภาวะเดียวกันกับ SOA แบบอยู่กับที่ (แหล่งที่มาของภาพ: Analog Devices)

ไดรเวอร์ไฟฟ้าแรงสูงบางตัวไม่มีระบบป้องกันความร้อน เนื่องจาก SOA ที่กว้างทำให้วงจรภายในมีข้อจำกัดมากเกินไป ตัวอย่างเช่น PA52 จาก Apex Microtechnology เป็นแอมพลิฟายเออร์ไฟฟ้ากำลังสูงสำหรับไฟฟ้าแรงสูงที่สามารถส่งได้ถึง 4 แอมป์ (ต่อเนื่อง) /80 แอมป์ (สูงสุด) ที่สลูว์เรท 50 V/µs การสวิงแรงดันไฟขั้วเดียวหรือสองขั้วที่ 200 V เนื่องจากระดับการกระจายอาจจะสูงมาก แผนภูมิ SOA ของอุปกรณ์นี้จึงเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการออกแบบระบบ ซึ่งครอบคลุมทั้งโหมดไฟฟ้า DC และโหมดพัลส์ (รูปที่ 11)

รูปที่ 11: SOA สำหรับแอมพลิฟายเออร์ไฟฟ้าแรงดันสูง (±100 V) กระแสไฟแรงสูง (80/40 แอมป์) เช่น PA52 จาก Apex Microtechnology จะแตกต่างกันไปตามช่วงกว้างขึ้นอยู่กับว่าทำงานในโหมดคงที่หรือโหมดพัลส์ (แหล่งที่มาของภาพ: Apex Microtechnology)

สำหรับ PA52 นักออกแบบมักจะต้องการเพิ่มตัวต้านทานตรวจจับกระแสไฟฟ้าด้านสูงจากภายนอกระหว่างเอาต์พุตและโหลดเพื่อวัดกระแสไฟเอาต์พุตและประเมินกำลัง การกำหนดขนาดตัวต้านทานนี้มักจะเป็นการพิจารณาระหว่างค่าความต้านทานสูงกับค่าความต้านทานที่ต่ำกว่า ความต้านทานที่สูงขึ้นให้สัญญาณที่ใหญ่ขึ้นและอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ที่สูงขึ้นด้วย ในขณะที่ความต้านทานที่ต่ำกว่าจะลดการกระจายตัวของตัวต้านทานและลดกำลังเอาต์พุตที่ใช้ส่งไปด้วย

จุดเริ่มต้นที่ดีคือการเลือกค่าตัวต้านทาน เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าที่ถูกพัฒนาขึ้นข้ามเป็น 100 mV ที่กระแสไฟโหลดสูงสุด นอกจากนี้ วงจรตรวจจับจะต้องเข้ากันได้กับแรงดันไฟฟ้าโหมดปกติ (CMV) ที่มีแรงสูง ในกรณีส่วนใหญ่ วงจรตรวจจับที่แยกออกมาเป็นสิ่งจำเป็นด้วยเหตุผลหลายประการ: ตรวจจับความสมบูรณ์ของสัญญาณ ปกป้องส่วนที่เหลือของวงจร และความปลอดภัยของผู้ใช้

ปัญหาด้านแหล่งจ่ายและข้อบังคับ

แอมพลิฟายเออร์ไฟฟ้าแรงสูงเป็นมากกว่าพิมพ์เขียวและรายการส่วนประกอบ เนื่องจากลักษณะของเลย์เอาต์ทางกายภาพกลายเป็นสิ่งสำคัญ สำหรับวงจรที่ทำงานสูงกว่า 60 V จะมีประเด็นและมาตรฐานด้านความปลอดภัยในการใช้งาน (ค่าจริงขึ้นอยู่กับรูปแบบการใช้งานปลายทาง และประเทศ/ภูมิภาค) สำหรับการออกแบบที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่านี้ ผู้ใช้ต้องตัดสินใจถึงวิธีการแยกแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าออกจากแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าและปลอดภัยกว่า ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับวิธีการทางกลศาสตร์อย่างน้อยหนึ่งวิธี เช่น สิ่งกีดขวาง อินเตอร์ล็อค ฉนวน หรือการเว้นระยะห่าง

นอกจากนี้ เลย์เอาต์ต้องเป็นไปตามกฎระเบียบข้อบังคับด้านขนาดของระยะคืบและระยะห่างขั้นต่ำสำหรับส่วนประกอบและร่องของแผงวงจร เพื่อไม่ให้เกิดการอาร์คและประกายไฟ ขนาดเหล่านี้เป็นฟังก์ชั่นของแรงดันไฟฟ้าและสภาพแวดล้อมการทำงานที่ควรจะเป็น (ความชื้นและฝุ่นเทียบกับสภาพแวดล้อมที่สะอาดและแห้ง) ควรใช้ที่ปรึกษาที่เป็นผู้เชี่ยวชาญในด้านเหล่านี้ เนื่องจากมาตรฐานมีความซับซ้อนและมีรายละเอียดปลีกย่อยมากมาย ในขณะที่กระบวนการอนุมัติอย่างเป็นทางการต้องใช้ทั้งการวิเคราะห์เลย์เอาต์การออกแบบ การก่อสร้าง วัสดุ ขนาด และวัสดุ ตลอดจนแบบตัวอย่างจำลองสำหรับการทดสอบ

โดยหลักการแล้ว แหล่งจ่ายไฟ AC/DC หรือ DC/DC จากแรงดันไฟต่ำไปสูงนั้นตรงไปตรงมา และสามารถสร้างได้โดยใช้วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (สำหรับไฟฟ้า AC) พร้อมกับวงจรทวีแรงดันไฟฟ้าที่ประกอบด้วยไดโอดและตัวเก็บประจุ อย่างไรก็ตาม มีปัญหาในทางปฏิบัติมากมายในการออกแบบการจ่ายไฟฟ้าแรงสูง เช่น การทำให้แน่ใจว่าอุปกรณ์แบบพาสซีฟเหล่านี้มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม

แม้แต่ตำแหน่งของแหล่งจ่ายไฟก็เป็นปัญหา ในรูปแบบการใช้งานที่มีเฉพาะแหล่งจ่ายแรงดันไฟต่ำเท่านั้น (ตามขนาดสิบโวลต์หรือน้อยกว่า) อาจเหมาะสมที่จะเดินสายไฟที่มีแรงดันต่ำไปยังวงจรทวีแรงดันที่ถูกบล็อกไว้ซึ่งอยู่ใกล้กับฟังก์ชัน op-amp สำหรับไฟฟ้าแรงสูง อย่างไรก็ตาม การดึงกระแสที่แรงดันไฟต่ำหมายถึงความต้านทานกระแสไฟ (IR) เพิ่มเติมลดลง และสูญเสียกำลัง I²R ในสายไฟเหล่านั้น และอาจมีข้อดีมากกว่าการแยกสาย อีกทางเลือกหนึ่งคือการเดินสายไฟฟ้าแรงสูงเป็นช่วงระยะทาง ซึ่งช่วยลดการสูญเสียแต่เพิ่มความปลอดภัยและข้อจำกัดด้านข้อบังคับ

การทำเองเทียบกับการตัดสินใจซื้อ

โดยไม่คำนึงถึงที่ตั้ง เว้นแต่ว่าทีมออกแบบจะมีความรู้และประสบการณ์มากพอ การซื้อแหล่งจ่ายไฟแรงสูงน่าจะเหมาะสมมากกว่าที่จะพยายามออกแบบและสร้างเอง มีปัญหามากมายเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟเหล่านี้และการขอรับการรับรองทำได้ยาก แหล่งจ่ายไฟทำได้มากกว่าแค่ให้กำเนิดแรงดันไฟฟ้าอินพุตและแปลงแรงดันนั้นเป็นเอาต์พุตที่ต้องการ แต่ยังรวมถึงคุณสมบัติเหล่านี้อีกด้วย

• ต้องทำงานได้อย่างถูกต้องและเสถียร
• ต้องเป็นไปตามวัตถุประสงค์ของประสิทธิภาพในการเกิดการกระเพื่อมและไฟกระชาก
• ควรรวมคุณสมบัติการป้องกันและการตัดระบบต่าง ๆ ไว้ด้วยกัน
• ต้องเป็นไปตามมาตรฐาน EMI
• นอกจากนี้ยังอาจจำเป็นต้องมีการแยกกัลวานิก

มีแหล่งจ่ายไฟแรงสูงที่มีจำหน่ายอยู่มากมายตั้งแต่รุ่นกระแสไฟต่ำไปจนถึงแบบที่สามารถจ่ายกระแสไฟได้หลายแอมแปร์หรือมากกว่า ตัวอย่างเช่น FS02-15 จากแผนกไฟฟ้าแรงสูง EMCO ของXP Power เป็นโมดูลไฟฟ้าแรงสูงแบบแยกส่วนที่ใช้ติดตั้งบนแผ่นปริ้น (รูปที่ 12) ขนาดยาว 2.25 นิ้ว × กว้าง 1.1 นิ้ว × สูง 0.5 นิ้ว (57 มิลลิเมตร (มม.) × 28.5 มม. × 12.7 มม.) ทำงานโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ DC 15 โวลต์ และจ่ายไฟ 200 V (±100 V) ที่ 50 mA โมดูลนี้ตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพและข้อบังคับทั้งหมด ในขณะเดียวกันก็รวมเอาคุณลักษณะที่ตรงตามมาตรฐานและคาดหวังไว้ในแหล่งจ่ายไฟไว้อย่างครบถ้วน

รูปที่ 12: อุปกรณ์สิ้นเปลืองที่มีจำหน่ายในท้องตลาด เช่น FS02-15 จาก XP Power ซึ่งส่ง ±100 V ที่ 50 mA จากรางจ่ายไฟ 12 โวลต์ ขจัดปัญหาด้านการออกแบบและกฎข้อบังคับที่เกี่ยวข้องกับการให้กำลังแยกกันได้อย่างปลอดภัยของ op-amps สำหรับไฟฟ้าแรงสูง (แหล่งที่มาของภาพ: XP Power)

สรุป

op-amp สำหรับไฟฟ้าแรงสูงมีความจำเป็นในระบบอิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท ซึ่งรวมถึงเครื่องมือวัด ยา ฟิสิกส์ ทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริก เลเซอร์ไดโอด และอื่น ๆ ในขณะที่นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้ op-amps ที่มีความเข้ากันได้กับแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ คุณลักษณะและข้อจำกัดของอุปกรณ์ต้องมีการทำความเข้าใจให้ชัดเจนถึงประสิทธิภาพ ความร้อน กฎข้อบังคับ และความปลอดภัยในการทำงานที่แรงดันไฟ >100 โวลต์