使用正確的高電壓運算放大器安全有效地控制並放大高電壓

許多應用基於輸入訊號的性質或是輸出負載的特性，需要可在高電壓下 (60 V 至 100 V 以上) 運作的運算放大器。此類應用包括噴墨和 3D 列印機的壓電驅動器、超音波傳感器和其他醫療儀器、ATE 驅動器以及電場源等。

這些放大器與典型運算放大器有所不同，必須滿足在非電阻 (電感、電容) 負載下的迴轉率要求，因此需要精確穩壓的電源供應器，而且一旦電壓超過 60 V，設計人員就會面臨相當嚴苛的穩壓要求。此外，視應用情況而定，還可能產生高電流，導致熱管理問題。

為了因應這些問題，市面上有採用特殊製程的標準單晶片與混合式高電壓運算放大器。但是，這些放大器的挑選、導入設計及佈局都需要經過特別考量，才能安全一致地符合系統設計目標。本文將探討更高電壓的運算放大器 (>100 V) 在其獨特卻極為常見的應用中的用途，以及如何成功應用這些放大器。

為何需要高電壓？

高電壓運算放大器的代表性應用有很多，而且非常多樣。大多數應用都會用到高電壓，而且在放大低電壓輸入訊號的電壓增益時，還需要精準的控制。在大部份情況下，這些訊號並非高壓開關訊號，因此需要用到線性放大器，而不是更簡易的高壓切換功能。在這些應用當中，有些經常需要用到雙極輸出，包括：

• 噴墨印表機的壓電驅動器、超音波傳感器，以及精密流量測量閥
• 用於完全驅動其他 IC、混合式裝置及模組的自動測試設備 (ATE) 驅動器
• 蓋革計數器等科學儀器
• 車用光達 (LiDAR) 成像系統的高強度雷射二極體
• 產生流體生物醫學測試常用的電場源

這些系統大多 (至少一部份) 會以較高的電壓運作，但電流介於低至中度的範圍內 (10 至 100 mA)，因此在一般理解中並不屬於「高功率」。因此，設計會比較著重於控制及提供所需的電壓，而非管理產生的熱量。

例如，若運算放大器以 100 mA 提供 100 V 電壓，就代表對電源有 10 W 的中度需求 (以及一些補償內部損耗的額外功率，通常為 20% 至 30%)。這當然不屬於「微功率」情形，但也不一定會造成難以處理的散熱問題，這是因為該 10 W 功率的一大部分都會進入負載，而不會由電子元件逸散。然而在進行設計時，散熱問題仍是務必考量的因素。

以下列出設計人員面臨的一些普遍問題，這些問題在透過運算放大器來放大高電壓時更為相關：

• 挑選並應用適合的運算放大器
• 高電壓裝置效能的最佳化
• 為運算放大器提供可能與負載的供應電源相同的 DC 高電壓軌
• 確保高電壓下的安全性，並符合佈局與結構方面的法規要求

運算放大器的挑選與應用

高電壓運算放大器與傳統放大器有所不同。一般來說，放大器會以某種電壓與電流的組合進行功率增益，而且通常會進入電阻負載中。相反地，運算放大器則是設定為提高電壓，同時將指定的最大電流提供給負載。此外，運算放大器還可設定成提供固定或可調整增益，而且除了用於「簡單」的電壓增益區塊外，還可用於其他各種拓撲。

在過去，大多數用於線性功能 (如運算放大器) 的 IC 製程，最大電壓都限制在大約 50 V 上下。為了打造更高電壓的運算放大器，設計人員會在輸出端增加外部的離散式高電壓電晶體，以作為升壓器。圖 1 顯示使用 Analog Devices 的 LT1055 精密 JFET 運算放大器並搭配互補型升壓電晶體的電路，以提供 ±120 V 的電壓。

圖 1：有個提高運算放大器電壓輸出的方法是，在基本元件上加入互補型升壓電晶體 (如 Analog Devices 的 LT1055 )，以便善用運算放大器的輸入特性；此設計可將輸出提高至 ±120 V。(圖片來源：Analog Devices)

雖然這個方法有效，但相較於僅有 IC 的情況，卻有物料清單較為複雜且成本較高的缺點，而且還要面臨難以避免的佈局問題。另外，想要在正極與負極輸出擺幅間達到並維持對稱的效能，同時將零交叉點的失真降到最低，也相當具有挑戰。這些問題通常是元件不匹配 (主要是 NPN 與 PNP 電晶體) 以及實體佈局不平衡造成的結果。

在挑選高電壓運算放大器時，第一步是評估與任何運算放大器類似的參數；當然，具體數值會有所不同。高電壓運算放大器產品相對較少，因此這個過程會簡單一些。設計考量涵蓋以下三個主要層面：

1. 優先考量的因素包括輸出電壓、輸出電流、頻寬、迴轉率，以及單極與多極效能
2. 其他考量則有迴轉率和負載類型上的限制，以及溫度相關的漂移誤差 (表現在輸出波形上)
3. 最後，還要防止熱過載、過電流，以及其他會影響所有放大器的問題

克服限制障礙

設計人員必須評估市面上有哪些高電壓運算放大器，不但可符合第一點必備要求，而且還有足夠低的誤差規格能符合相關要求，同時還內建足夠的保護，或可以搭配電流限制等外部保護機制。

若想讓元件的效能幾乎符合所有的要求，需要良好的判斷力。舉例來說，有時「最好」的運算放大器在某項因素上仍有所欠缺，如驅動電容性負載時不穩定，或是輸出電流能力不足，或是與過熱相關的漂移等等。設計人員必須決定，是要尋找另一款缺點不同的運算放大器，還是選擇最適合的一款，然後再提升其效能。

某些例子可說明這樣的窘境：

電容性負載：Analog Devices 的 ADHV4702-1 是高電壓精密運算放大器 (圖 2)。此裝置可採用 ±110 V 的雙對稱電源、非對稱電源，或單一 +220 V 電源，並可提供 ±12 V 至 ±110 V 的輸出，電流最高可達 20 mA。

具有 170 分貝 (dB) 的開迴路增益 (A_OL)，是其達到高效能的關鍵因素。此裝置能輕鬆驅動中度電容性負載，但隨著負載增加，傳遞函數的極點將會偏移，導致出現輸出峰值，並可能因相位容限的降低而發生不穩定現象。

針對這個問題，運算放大器設計人員提出解決方法。在輸出端及 C_Load 引腳之間加入串聯電阻，即可驅動大於 1 µF 的負載 (圖 2)。

圖 2：在放大器輸出端與 C_LOAD 之間放置串聯電阻 (R_S)，可讓 ADHV4702-1 驅動超過 1 μF 的電容性負載。(圖片來源：Analog Devices)

但是，加入此電阻可能產生中度負載峰值 (圖 3)。

圖 3：圖 2 的電路中，在單位增益、供應電壓為 ±110 V，以及 V_OUT = 100 V_p-p 的條件下，最大峰值為 2 dB 時的 R_S 與 C_LOAD 關係圖。(圖片來源：Analog Devices)

如果對應用來說，僅有 2 dB 仍是過大的負載峰值，ADHV4702-1 可在其補償引腳及地線之間放置電容，藉此提供外部補償。選擇適當的電阻與電容，即可確保電容性負載的穩定度，並在整個頻寬中達到近乎平坦的響應 (圖 4)。

圖 4：在單位增益、供應電壓為 ±110 V、V_OUT = 100 V_p-p、R_f = 0 Ω 以及 C_COMP = 5.6 pF 的條件下，ADHV4702-1 的小型訊號頻率響應與外部補償關係圖。(圖片來源：Analog Devices)

更多的輸出電流驅動：Texas Instruments 的 OPA454AIDDAR 運算放大器能透過 10 V 至 100 V 的單一供應電源，分別提供 ±5 V 至 ±50 V 的電壓。這是 ADHV4702-1 輸出電壓額定值的一半 (100 V 相對於 200 V)，但電流驅動值卻達兩倍以上 (50 mA 相對於 20 mA)。然而，對某些負載來說，這個額外的流出／流入電流量可能不夠，特別是負載中包含較小的並聯負載時。

有兩種方法可以解決 OPA454 的這個問題。首先，可以並聯兩個 (或更多個) OPA454AIDDAR (圖 5)。

圖 5：並聯放置兩個 OPA454AIDDAR 運算放大器，可線性增加其輸出電流能力。(圖片來源：Texas Instruments)

放大器 A1 為主放大器，並且可設定為任何運算放大器配置，而不只是基礎的增益單元。放大器 A2 為從屬放大器，數量可以是一個或多個。將 A2 設定為單位增益緩衝器，追蹤 A1 的輸出，同時增加額外的驅動電流。

還有一種方法能取得比單一放大器或多個從屬放大器更多的電流，那就是使用外部輸出電流升壓電晶體 (圖 6)。

圖 6：與並聯 OPA454 元件不同的替代做法是使用外部輸出電晶體。這麼做可以達到更高的輸出電流。在此例中，可將輸出電流提升至 1 A 以上。(圖片來源：Texas Instruments)

使用圖中的電晶體，整個配置便可以供應超過 1 A 的電流。但與使用額外 OPA454 運算放大器不同的是，互補型電晶體對可能無法提供所需的零失真效能及線性度。若需要較高的電流，而且電晶體是偏好的解決方案，則可能需要匹配的 PNP/NPN 互補型電晶體對。

溫度係數 (tempco) 與漂移：如同所有的類比元件，溫度係數會影響效能與準確度，放大的輸出將會包含輸入失調溫度漂移 (dV_OS/dT)。對 OPA454 而言，在 -40°C 至 +85°C 的指定環境溫度範圍內，dV_OS/dT 的規格值非常低，典型值為 ±1.6 μV/°C，最大值為 ±10 μV/°C。

若這個數值太大，在高電壓 OPA454 前加入所謂的「零漂移」運算放大器作為前置放大器，即可降低整體的漂移 (圖 7)。採用 Texas Instruments 的 OPA735 作為零漂移放大器，高電壓放大器的溫度漂移即可在第一個級段保持在 0.05 μV/°C (最大值)，降低的倍數達到 200 倍。

圖 7：在 OPA454 的輸入路徑中加入 OPA735 近零漂移運算放大器，會構成雙級高電壓電路，並具有超低的輸入失調溫度漂移。(圖片來源：Texas Instruments)

散熱問題與保護

即便電流位準可能適中，但根據「功率 = 電壓 x 電流」方程式，內部散熱仍可能因電壓較高而成為問題。建立熱力模型相當重要，可從接面溫度的基本方程式入手：T_J = T_A + (P_D × Θ_JA)，其中 T_J 為接面溫度、T_A 為環境溫度、P_D 為功率耗散，Θ_JA 則為封裝對環境的熱阻。後者取決於安裝方法及環境，包含散熱、氣流以及 PC 板銅材等因素。

有鑑於發熱的事實及其重要性，OPA454 及 ADHV4702-1 等 IC 都內建了熱關斷電路。例如，OPA454 中的電路會觸發自動熱關斷功能，也就是說，輸出會在內部裝置溫度達到 150°C 時進入高阻抗狀態。熱關斷狀態會持續下去，直到冷卻至 130°C 才會啟動。這種遲滯效應可避免輸出在熱量限值附近開／關振盪。

耗散限值不只取決於靜態輸出功率，而且也受到工作頻率及迴轉率影響，因此可能會導致輸出級過熱。無論操作任何此類驅動器，都須謹慎研究安全工作區 (SOA) 圖表，可從 ADHV4702-1 的靜態 SOA 開始 (圖 8)。

圖 8：研究安全工作區 (SOA) 圖表非常重要。曲線下的區域代表 ADHV4702-1 的 DC SOA，環境溫度為 25°C 及 85°C、增益為 20 V 且供應電壓為 ±110 V。(圖片來源：Analog Devices)

另外，也要考量動態 SOA。ADHV4702-1 具有內部迴轉率升壓電路，可達到 19 MHz 的小型訊號頻寬及 74 V/µs 的迴轉率，但這個升壓電路可能會因訊號因素而消耗更多的電流。因此，ADHV4702-1 可搭配外部二極體，以限制其差動輸入電壓 (圖 9)。

圖 9：在 ADHV4702-1 輸入端放置外部二極體即可限制差動輸入電壓，保護裝置免受升壓電路高電流的熱效應影響。(圖片來源：Analog Devices)

這可保護動態運作中的放大器，但會限制迴轉率及大型訊號頻寬，所以也會限制迴轉升壓電路所產生的電流，並降低內部功率耗散 (圖 10)。

圖 10：在靜態 SOA 的同等條件下，環境溫度為 25°C 和 85°C 時的動態 SOA (含與不含箝位二極體)。(圖片來源：Analog Devices)

並非所有高電壓驅動器都含有熱保護功能，這是因為較寬的 SOA 會給內部電路帶來過多限制。例如，Apex Microtechnology 的 PA52 是高電壓高功率放大器，可在 200 V 的單極或雙極電壓擺幅間，以 50 V/µs 的迴轉率供應高達 40 A (持續)／80 A (峰值) 的電流。由於耗散程度可能很高，因此該裝置的 SOA 圖表對於包括 DC 與脈衝模式在內的系統設計相當關鍵 (圖 11)。

圖 11：高電壓 (±100 V) 高電流 (80/40 A) 放大器 (如 Apex Microtechnology 的 PA52) 的 SOA 涵蓋範圍相當廣，視放大器是在穩定狀態還是脈衝模式下工作而定。(圖片來源：Apex Microtechnology)

對 PA52 來說，設計人員很可能希望在輸出端與負載之間加入外部高側電流感測電阻，以測量輸出電流並藉以評估功率。選擇電阻大小時，總是要在較高與較低的電阻值之間進行取捨。較高的電阻能提供較大的訊號及較高的訊噪比 (SNR)，而較低的電阻不但能將電阻的自體耗散降到最低，而且還可降低所供應的輸出功率。

一開始選擇的電阻值能在最大負載電流下，讓電阻兩端產生的電壓達到 100 mV 會是較好的作法。此外，感測電路必須相容於高共模電壓 (CMV)。在大部份情況下，基於多種理由必須有隔離式感測電路：確保感測到的訊號完整性、保護電路的其餘部份，以及確保使用者的安全。

電源供應器與法規問題

高電壓放大器不僅只是線路圖與物料清單而已，實體佈局的細節也變得至關重要。電路的工作電壓若是在 60 V 以上，就必須考量實施上的安全問題和標準 (實際數值視最終應用與國家／地區而定)。對於這些較高電壓的設計，使用者必須決定如何將較高的電壓與較低且較安全的電壓隔離開來。這可能會涉及一種或多種機械性措施，如屏障、聯鎖、絕緣或保持間距等。

此外，佈局必須符合法規針對元件及電路板所要求的最短沿面距離和間隙尺寸，以避免發生電弧和閃燃。這些尺寸取決於電壓及預期的工作環境 (是潮濕、充滿灰塵，還是乾淨乾燥)。由於標準複雜且有諸多小細節，而且正式的核准程序還需要分析設計佈局、結構、材料和尺寸，並建立測試驗證模型，因此，聘請此領域的專家是較為合理的作法。

原則上，低壓至高壓 AC/DC 或 DC/DC 電源供應器很簡單，可使用全波整流器 (用於 AC)，以及由二極體與電容組成的倍壓器電路來構建。然而，在高電壓電源供應器的設計上還有很多實際的問題，例如如何確保這些被動元件具有適當的電壓額定值等。

甚至連電源供應器的放置也是問題。在僅具有低電壓電源供應器 (大約幾十 V 或更低) 的應用中，將低電壓電線連接到位於高電壓運算放大器附近的阻斷倍壓器是較合理的作法。但是，在低電壓下消耗供應電流，意味這些線路中的電流-電阻 (IR) 值以及 I²R 功率損耗會降低更多，而這可能會抵銷隔離所帶來的好處。另一種選擇是遠距離連接高電壓線路，這會降低損耗，但會增加安全性及法規上的限制。

自製與採購之間的決策考量

除非設計團隊具有足夠經驗與知識，否則無論放置方式如何，採購高電壓電源供應器會是比較合理的做法，儘量不要試著自己設計並製作。這些電源供應器具有許多問題，而且取得認證相當困難。電源供應器並不只是把輸入電壓轉換成所需的輸出就行了，還需要符合以下要求：

• 必須準確且穩定
• 必須符合漣波與暫態效能的目標
• 必須具備多種保護與關斷功能
• 必須符合 EMI 標準
• 另外，還可能需要進行電流隔離

市面上有多款高電壓電源供應器，從低電流款式，到可提供數安培或以上電流的款式都有。例如，XP Power 的 EMCO 高電壓事業部所生產的 FS02-15 就是一款安裝於 PC 板的隔離式高電壓模組 (圖 12)。其尺寸為長 2.25 in x 寬 1.1 x 高 0.5 in (57 mm x 28.5 mm x 12.7 mm)，採用 15 VDC 電源操作，並可在 50 mA 下供應 200 V (±100 V) 電壓。這款模組能符合所有效能與法規要求，同時也納入全功能電源供應器現行標準所要求的功能以及未來預期的功能。

圖 12：XP Power 的 FS02-15 等現成電源供應器可在 50 mA 下，透過 12 V 供應電軌提供 ±100 V 電壓，並且不會在對高電壓運算放大器安全提供隔離電源時有相關的設計和法規問題。(圖片來源：XP Power)

結論

高電壓運算放大器是儀器、醫療、物理、壓電傳感器、雷射二極體等眾多電子系統的必備元件。雖然設計人員可以選用與這些電壓相容的運算放大器，但有鑒於超過 100 V 的電壓運作會在效能、熱量、法規及安全方面帶來影響，因此必須要清楚地理解這些裝置的屬性與限制。