使用合适的高电压运算放大器安全、高效地控制和放大高电压

在很多应用中，由于输入信号性质或输出负载特征的要求，需要运算放大器在高电压范围内（60 V 至 100 V 以上）工作。这些应用包括喷墨打印机和 3D 打印机中的压电驱动器、超声波变送器及其他医疗器械、ATE 驱动器和电场源。

此类运算放大器与常规的运算放大器有所不同，因为它们必须满足非阻性（感性或容性）负载的压摆率要求，需要精确调节的电源，而且一旦电压超过 60 V，设计人员就会面临严格的稳压要求。此外，根据应用的不同，可能还会出现大电流，导致热管理问题。

为了解决这些问题，市面上售有基于特殊工艺的标准单片式和混合式高电压运算放大器。然而，在对这些运算放大器进行选择、设计导入和布局时，需要有特殊的考虑，以便安全、稳定地满足系统设计目标。本文将介绍高电压运算放大器 (>100 V) 独特却极为常见的应用，以及如何成功地应用这类运算放大器。

为何需要高电压？

使用高电压运算放大器的典型应用数量和类型繁多。其中大多数应用需要高电压，而且在将低压输入信号放大到增益倍数时，还需要精确控制。在多数情况下，这些信号不是高压开/关信号，因而需要使用线性放大器，而不是更简单的高压开关。其中某些应用往往要求实现双极输出，包括：

• 喷墨打印机中的压电驱动器、超声波变送器和精密流量控制阀
• 自动测试设备 (ATE) 驱动器，用于完全驱动其他 IC、混合器件和模块
• 盖革计数器等科学仪器
• 汽车光检测和测距 (LiDAR) 成像系统的高强度激光二极管
• 生成电场，常用于生物医学流体测试

很多这样的系统（至少部分地）在较高的电压范围内工作，但电流介于小、中水平（10 至 100 mA），因此算不上通常意义的“高功率”。因此，设计的重点更多强调控制和提供所需的电压，而不是管理产生的热量。

例如，100 mA 时输出为 100 V 的运算放大器可满足 10 W 的中等输出功率要求（加上内部损耗功率，后者通常占比 20% 至 30%）。尽管该示例明显不属于“微功率”，但也无需注意热管理，因为 10 W 的功率大部分都输出给负载，而不是由电子元器件所耗散。然而，散热仍然是设计时始终要考虑的一个因素。

更多的问题则出现在通过运算放大器放大电压方面，设计人员面临的一些普遍问题包括：

• 运算放大器的选择和应用
• 优化高压器件的性能
• 为运算放大器提供 DC 高压轨，可能与负载电源是同一条
• 确保高电压安全性，满足布局和结构的法规要求

运算放大器的选择和应用

高电压运算放大器与传统放大器有所不同。一般来说，放大器以某种电压与电流的组合提供功率增益，并且通常输出给阻性负载。反观运算放大器则是配置为向负载提供额定最大电流的同时提高电压。此外，运算放大器还可以配置为固定增益或可调增益，除了“简单”的电压增益模块外，还可用于各种拓扑。

过去，像运算放大器之类线性功能的大多数 IC 工艺的最大电压限制约为 50 V。为了构建高电压运算放大器，设计人员在输出端加装了外部分立高压晶体管，以用作升压器。图中显示了Analog Devices的LT1055精密JFET运算放大器在一个带有互补增压晶体管的电路中的使用情况，以提供±120 V的电压（图1）。

3

图 1：为了提升运算放大器的电压输出，一种方法是为 Analog Devices 的 LT1055 等基本器件加装补偿升压晶体管，来利用运算放大器的输入特性；这种设计可输出 ±120 V 电压。（图片来源：Analog Devices）

尽管这种方法奏效，但它的缺点是，与只使用 IC 相比，BOM 更加复杂且昂贵，而且还有无法避免的布局问题。此外，另一个挑战是实现并保持正负输出摆幅的对称性，同时最大限度地减小过零失真。造成这些问题的原因通常是元器件不匹配（主要是 NPN 和 PNP 晶体管）以及物理布局不平衡。

要选择合适的高电压运算放大器，首先要评估与其他所有运算放大器类似的参数，当然具体的数值将有所不同。由于高电压运算放大器产品相对较少，因此这一过程比较简单。设计考虑因素主要包括以下三个方面：

1. 最重要的因素包括：输出电压、输出电流、带宽、压摆率，以及单极与双极的性能对比
2. 其他考虑因素有压摆率和负载类型的限制，以及温度引起的漂移误差，这些误差会显示在输出波形中
3. 最后，还有避免热过载、电流过大等其他影响所有放大器的问题

克服限制因素

设计人员必须评估市面上有哪些高电压运算放大器，不仅能够满足上述第一条中的强制性标准，而且具有满足要求的低误差规格，还能够提供足够的内置保护，或者可以搭配限流器件等外部保护措施。

要使器件性能几乎满足所有要求，需要有良好的判断力。例如，有时市面上“最好”的运算放大器也会存在某种欠缺，比如驱动容性负载时不稳定、输出电流能力不足，或者因过热引起的漂移。设计人员需要决定是选择其他具有不同缺点的运算放大器，还是选择最好的一种，然后扩展其性能。

下面的示例说明了这种两难境地：

容性负载：Analog Devices 的 ADHV4702-1 是一款高电压精密运算放大器（图 2）。该器件可以使用 ±110 V 双对称电源、非对称电源或 +220 V 单电源供电，并且输出电压可达 ±12 V 至 ±110 V，同时电流可高达 20 mA。

170 分贝 (dB) 的开环增益 (A_OL) 是该器件高性能表现的一个关键因素。该器件能够轻松驱动中等容性负载，但随着负载电容增大，传递函数的极点将发生偏移，从而导致输出峰值，并且可能因相位裕度降低而出现不稳定情况。

为解决这一问题，运算放大器设计人员提出了一种解决方案：在放大器输出端与 C_Load 引脚之间加装串联电阻器，使器件能够驱动大于 1 微法 (µF) 的负载（图 2）。

3

图 2：在放大器输出端与 C_LOAD 之间接入串联电阻器 (R_S)，将使 ADHV4702-1 能够驱动大于 1 μF 的容性负载。（图片来源：Analog Devices）

不过，加装此电阻器可能导致中等负载峰值（图 3）。

3

图 3：图 2 中的电路在单位增益、±110 V 供电电压及 V_OUT = 100 V_p-p 时，最大峰值为 2 dB 对应的 R_S 与 C_LOAD 关系曲线图。（图片来源：Analog Devices）

如果对于应用而言，即使 2 dB 也是过大的负载峰值，ADHV4702-1 还支持外部补偿，可在补偿引脚与接地之间接入电容器。通过正确选择电阻器和电容器，可以确保容性负载的稳定性，并在整个带宽范围内具有几乎平坦的响应（图 4）。

3

图 4：在单位增益、±110 V 供电电压、V_OUT = 100 V_p-p、R_f = 0 Ω 及 C_COMP = 5.6 皮法 (pF) 时，ADHV4702-1 的小信号频率响应与外部补偿的关系曲线图。（图片来源：Analog Devices）

更高输出电流驱动能力： Texas Instruments 的 OPA454AIDDAR 运算放大器能从 10 V 至 100 V 的单一电源分别提供 ±5 V 至 ±50 V 的输出。这是 ADHV4702-1 额定输出电压值的一半（100 V 对 200 V），但其电流驱动能力是后者的两倍以上（50 mA 对 20 mA）。即便具有更大的拉/灌电流，但对于某些负载而言可能仍不够，尤其是当负载包含并联的小负载时。

两种方法可用于解决 OPA454 的这一问题。第一种方法是将两个（或更多）OPA454AIDDAR 并联（图 5）。

3

图 5：将两个 OPA454AIDDAR 运算放大器并联，可线性提升输出电流能力。（图片来源：Texas Instruments）

放大器 A1 用作主放大器，可以进行任何运算放大器配置，而不只是作为基本增益单元。放大器 A2 是从放大器，可以只有一个，也可以有多个。该放大器配置为单位增益缓冲器，用于在增加额外驱动电流的同时跟踪 A1 的输出。

另一种方法是使用外部晶体管提高输出电流，这种方法可以比使用单个放大器或多个从放大器获得更大的电流（图 6）。

图 6：并联 OPA454 器件的替代方法是使用外部输出晶体管。这样甚至可获得更大的输出电流。在本例中，这些晶体管可将输出电流提高至 1 安培以上。（图片来源：Texas Instruments）

使用所示的晶体管，该配置可提供 1 安培以上的电流。然而，与使用多个 OPA454 运算放大器不同，补偿晶体管对可能无法提供所需的无失真性和线性度。如果需要这么大的电流，而且使用晶体管是首选解决方案，则需要使用匹配的补偿 PNP/NPN 晶体管对。

温度系数和漂移：与所有模拟元器件一样，温度系数也会影响运算放大器的性能和精度，而且输入失调温度漂移 (dV_OS/dT) 将出现在放大后的输出中。对于 OPA454，在 –40°C 至 +85°C 的额定环境温度范围内，dV_OS/dT 规格很低，只有 ±1.6 μV/°C（典型值）和 ±10 μV/°C（最大值）。

如果此数值仍然太大，可以在高压 OPA454 之前加装一个所谓的“零漂移”运算放大器作为前置放大器，以减少整体漂移（图 7）。使用 Texas Instruments 的 OPA735 作为零漂移前置放大器，可使高压放大器的第一级温度系数漂移保持在 0.05 μV/°C（最大值），减缩因数为 200。

3

图 7：在 OPA454 的输入路径中加装近零漂移运算放大器 OPA735，会生成一个输入失调温度漂移非常低的两级高压电路。（图片来源：Texas Instruments）

发热问题和热保护

即使电流水平可能为中等，但是根据公式“功率 = 电压 × 电流”，由于高压造成的内部耗散可能仍然是一个问题。因此热建模至关重要，首先从基本结温计算公式着手：T_J = T_A + (P_D × Θ_JA)，其中 T_J 表示结温，T_A 表示环境温度，P_D 表示功率耗散，Θ_JA 表示结到环境的封装热阻。最后一项由安装技术和环境决定，包括散热、气流和印刷电路板的铜。

认识到发热情况的存在及其重要性后，OPA454 和 ADHV4702-1 等 IC 集成了热关断电路。例如，器件内部温度达到 150°C 时，OPA454 的热关断电路可在输出进入高阻抗状态的情况下触发自动热关断。此后该器件一直保持热关断状态，直到温度下降到 130°C，此时 IC 会重新上电。这种滞后效应可防止输出在热限值附近发生开/关震荡。

耗散极限不是静态输出功率的单变量函数，它还受工作频率和压摆率的影响，这可能导致输出级过热。因此，对于任何此类驱动器，研究安全工作区域 (SOA) 曲线图都至关重要。让我们首先从 ADHV4702-1 的静态 SOA 开始（图 8）。

3

图 8：研究安全工作区域 (SOA) 曲线图至关重要。ADHV4702-1 的 DC SOA 由曲线下方的区域表示，曲线对应的环境温度分别为 25°C 和 85°C，增益为 20 V，供电电压为 ±110 伏。（图片来源：Analog Devices）

动态 SOA 也是要关注的方面。ADHV4702-1 采用了内部压摆率升压电路来实现 19 兆赫 (MHz) 小信号带宽和 74 伏/微秒 (µs) 的压摆率，但这种升压电路可能会消耗大电流，具体取决于信号。为此，使用 ADHV4702-1 加装外部二极管可限制差分输入电压（图 9）。

3

图 9：在 ADHV4702-1 输入端接入外部二极管，可通过限制该器件的差分输入电压，保护其不受升压电路大电流产生的热效应影响。（图片来源：Analog Devices）

这样可以在动态工作时保护放大器，但会限制压摆率和大信号带宽，从而限制压摆率升压电路产生的电流，并减少内部功率耗散（图 10）。

3

图 10：动态 SOA 曲线图，环境温度为 25°C 和 85°C，使用或不使用箝位二极管，其他条件与静态 SOA 相同。（图片来源：Analog Devices）

并非所有的高压驱动器都具有热保护功能，因为宽 SOA 对内部电路限制过多。例如，Apex Microtechnology 的 PA52 是一款高电压、高功率放大器，可以 50 V/µs 压摆率在 200 V 的单极或双极电压摆幅范围内，提供最大 40 安培（连续）/80 安培（峰值）的电流。由于耗散水平可能相当高，因此该器件的 SOA 图是系统设计中的一个关键元素，覆盖直流模式和脉冲模式（图 11）。

3

图 11：像 Apex Microtechnology 的 PA52 这样的高电压 (±100 V)、高电流（80/40 安培）放大器的 SOA 变化范围较广，具体取决于器件在稳态模式还是脉冲模式下工作。（图片来源：Apex Microtechnology）

对于 PA52，设计人员通常会想在输出端与负载之间加装外部高压侧电流检测电阻器，以测量输出电流，进而估算功率。要选择此电阻器的型号，必须权衡高电阻值与低电阻值。较高的电阻值可带来较大的信号和更高的信噪比 (SNR)，而较低的电阻值能尽量降低电阻器的自身耗散，但也会减小提供的输出功率。

一个很好的着手点是，在最大负载电流时让电阻器两端的电压为 100 mV，以此原则来选择电阻值。此外，检测电路必须与高共模电压 (CMV) 相兼容。在多数情况下，还必须使用隔离检测电路，原因有多种，包括：检测到信号的完整性、保护电路其余部分以及用户安全。

供电和监管问题

考虑高压放大器远非原理图和 BOM 那么简单，物理布局的细节也至关重要。对于工作电压超过 60 V 的电路，存在实现安全问题和标准（实际值取决于最终应用和所在的国家/地区）。对于这些高压设计，用户必须决定如何将高电压与更安全的低电压隔离。为此可能需要使用一种或多种机械方法，例如隔离栅、联锁、绝缘或间距。

此外，布局还必须满足针对元器件和电路板印制线的最小爬电距离和净空尺寸法规要求，以免发生电弧放电和飞弧现象。这些尺寸由电压和预期工作环境决定（潮湿、充满灰尘，还是清洁、干燥）。一种可取的做法是，聘请该领域的专家作为顾问，因为这些标准细节繁冗，而且正式的审批流程既要求分析设计布局、结构、尺寸和材料，还需要建立测试验证模型。

在理论上，电压由低到高的 AC/DC 或 DC/DC 供电比较简单，可以结合使用全波整流器（用于 AC）以及由二极管和电容器组成的倍压器电路来构建。然而，在高压供电设计中有很多实际问题，例如如何确保这些无源器件具有合适的额定电压。

甚至供电位置也是个问题。在只有低压供电（大约几十伏或更低）的应用中，一种可取的做法是将低压电线连接到位于高电压运算放大器附近的阻断倍压器。但是，低压时会产生额外的电流消耗，即在这些电线中生成更大的电流-电阻 (IR) 压降和 I²R 功率损耗，而这一缺陷可能会超过隔离带来的优点。另一种方法是远距离连接高压线路，这样可以降低损耗，但会增加安全性和法规限制。

自建还是购买

无论布置方式如何，除非设计团队知识渊博且经验丰富，否则最好选择购买高压电源，而不是自行尝试设计和构建。这种电源涉及的问题很多，要获得认证也比较困难。电源不仅仅是把输入电压转换为所需的输出电压，还必须：

• 精确而稳定
• 满足波纹和瞬态性能目标
• 集成各种保护和关断功能
• 符合 EMI 标准
• 此外，可能还必须进行电隔离

市面上销售的高压电源有很多，从低电流型号到可提供数安培或更大电流的型号应有尽有。例如，由 XP Power 的 EMCO 高压部门推出的 FS02-15 是一款安装在印刷电路板上的隔离式高压模块（图 12）。该器件的尺寸为 2.25 英寸长 × 1.1 英寸宽 × 0.5 英寸高（57 毫米 (mm) × 28.5 mm × 12.7 mm），使用 15 伏直流电源供电，50 mA 时输出 200 V (±100 V)。该模块满足所有性能和法规要求，同时集成了全功能电源现有以及未来应有的标准功能。

3

图 12：像 XP Power 的 FS02-15 这样的现成电源使用 12 伏电源轨供电，50 mA 时输出 ±100 V，避免了为高电压运算放大器提供安全隔离式电源的相关设计和监管问题。（图片来源：XP Power）

结语

高电压运算放大器在很多电子系统中必不可少，包括仪表、医疗、物理、压电变送器、激光二极管等系统。虽然设计人员可以使用与这些系统电压兼容的运算放大器，但考虑到运算放大器在工作电压大于 100 伏时存在性能、热管理、法规和安全问题，他们必须清楚这些放大器的属性和限制。