如何在單一設計中結合高和低電壓

雖然人們較更傾向於使用較低電壓以降低功耗，但設計人員通常需要在同一設計中納入低電壓和高電壓。這麼一來會面臨三項挑戰：開發更高電壓的直流軌；提供更高電壓的類比放大器／驅動器功能；以及滿足更高電壓系統的相關安全和法規要求。

低於 5 V 的低運作電壓具有很多優點，包括更低的功耗、更低的發熱損耗、更高的 IC 功能密度、更長的執行時間和更長的壽命。但是有許多應用會需要較高的電壓，達到數百伏特以上。壓電馬達、觸覺裝置、列印頭驅動器、專用感測器和科學儀器等應用需要更高的電壓，但通常為中等電流量，最多為幾百毫安培 (mA)。

因此系統設計混合了較低電壓與更高電壓的電路，設計人員必須管理相關的挑戰。

本文結合理論與實務解決方案實例，說明如何產生更高的電壓軌，並提供所需的類比驅動器，最後再針對滿足法規和安全要求進行討論。

提供高電壓軌

設計人員可自行設計並研發高電壓電源供應器，或者是直接購買，以提供高電壓直流軌。就原理而言，開發高電壓電源供應器不難，特別是低電流的電源供應器。傳統上有兩種做法：

• 如果只能取得低電壓 DC 電源，則設計人員可實作針對此用途設計的升壓模式 DC/DC 切換式穩壓器為基礎的電路。
• 如果可取得 AC 線路，則可使用一個或多個倍壓電路 (圖 1)。

圖 1：一個基本倍壓電路使用二極體與電容，將 120 V_AC(RMS) (峰值電壓為 170 V_AC) 轉換至 DC，且峰值電壓為兩倍。(圖片來源：Lewis Loflin、Bristol Watch)

一個基本倍增器將 AC 的峰值轉換為兩倍值的 DC 電壓。倍增器能夠提供的電流量取決於電容的大小，因此電流越大，所需的電容量也就越高。請注意，這些電容必須是特別的高電壓單元，因為標準的低電壓電容會出現故障，甚至可能會爆炸。

雖然升壓模式或倍壓器都是可行的做法，但兩者都具有相同的問題：都是對高電壓進行處理，讓設計人員必須對佈局、電弧及使用者安全性與法規標準等層面格外謹慎。

故此，許多工程師偏好使用市售的高電壓電源供應器，如 XP Power 的 EMCO 系列 AG01P-5 (圖 2)。此 PC 板式安裝、小型尺寸的單元大小為 0.128 in (3.25 mm)，且體積小於 0.100 in³ (1639 cm³)。此電源供應器的工作電壓為0 0.7 V 至 5 V 的 DC 電源，卻可在 10 mA 提供 100 V。此外，其具備高達 500 V 電氣隔離的優點，這在許多情況下是適當系統運作與提供使用者／設備安全性的必要條件。

圖 2：XP Power 的小型 EMCO 系列 AG01P-5 DC/DC 轉換器，將 0.7 V 至 5 V 的 DC 電源，在 10 mA 轉換為 100 VDC，亦包含 500 V 隔離能力。(圖片來源：XP Power)

對於需要更高電壓或電流的應用，XP Power 與其他供應商所提供的基本單元能在數百毫安培下提供數百、甚至數千伏特的電力。有些由 DC 電源軌運作，而很多是由 AC 線路供電。只要使用可靠的供應商提供的標準現成高電壓電源供應器，就可以有效因應所有與電源相關的技術性效能與法規問題。因此，設計人員可以轉而將注意力放在如何將電源供應器的高電壓輸出轉送到需供電的電路。

當然，在某些情況下，代工廠所設計的高電壓電源供應器是合理或唯一可行的選項。這類例子包括：可能為物料清單帶來成本優勢的高產量應用；不受標準電源供應器支援的所需電壓／電流組合；具有獨特的空間限制或需要特殊尺寸的電源供應器；或者代工廠已具有高電壓電源供應器設計與實作之專業知識。然而對於大部分的工程師來說，要同時滿足技術需求、選擇並採購不常見的零件並且管理法規相關議題，會使高電壓電源供應器設計成為一項非常艱鉅的任務。

提供類比驅動器

決定好要採用的電源軌之後，接下來要決定如何提供負載所需的高電壓類比放大功能。請注意，有時候只需要對偏壓與類似電路需求提供靜態 DC 電壓，而不需要高電壓下動態、可控的放大訊號。在這些情況下，只需要用到電源供應器 (也許是可調整式) 就足夠了。

設計人員有三種方式可以實作高電壓運算放大器功能。第一種方式為使用標準的低電壓運算放大器，但在輸出上加上升壓電晶體 (圖 3)。此效果能將低電壓輸出轉換至更廣更高的電壓範圍。在這個例子中使用了 Analog Devices 高度精準、快速的 LT1055 運算放大器作為放大器核心，其輸出藉由三對 PNP/NPN 電晶體升壓至兩極 ±125 V 軌對軌擺幅。

圖 3：這是其中一種產生更高電壓運算放大器輸出的做法，在基本元件上加入互補型升壓電晶體 (如 LT1055)，以便善用運算放大器的輸入特性。(圖片來源：Analog Devices)

這種方法可行且有效，但需要相當多額外的主動式與被動式離散元件。另外，選用的 NPN/PNP 電晶體類型必須與增益、迴轉及其他參數 (視特定參數) 的相似或互補規格相符，以確保兩極運作具對稱性。因此，在設計上打造 Spice 或類似模型時必須小心謹慎，也必須將元件容差的影響納入考量。

第二種選項是使用本來就為高電壓運作設計的運算放大器。這些運算放大器因半導體製程限制，通常不是單晶片零件，因此採用小型模組封裝，但能像單一元件一樣「直接」使用。這些元件通常搭配一個作為訊號緩衝器的更小型的低電壓運算放大器使用。

Apex Microtechnology 的 PB64 雙重高電壓升壓放大器即為其中一例。此放大器是小訊號一般用途運算放大器 (圖 4)，提供電壓與電流增益，納入 12 引腳的電氣隔離 SIP，不包括通孔引腳的尺寸為 1.2 in (31 mm) x 0.8 in (20 mm) x 0.27 in (7 mm)。典型的應用包含科學儀器以及功率半導體與 LED/LCD 陣列的測試。

圖 4：儘管非單晶片 IC，Apex Technology 所提供的 PB64 高電壓放大器等元件，可輕鬆納入，作為低電壓元件。(圖片來源：Apex Microtechnology)

PB64 的最高輸出電壓為 ±75 V，電壓不如前述離散解決方案那麼高，相較之下卻有兩個好處。PB64 在搭配緩衝器使用時，只需要幾個非關鍵被動式元件即可，並且可提供高達 ±2 A 的電流，是相當大的電量 (圖 5)。

圖 5：在許多應用中，高電壓 PB64 放大器會搭配作為輸入緩衝器的標準運算放大器使用，以確保輸入訊號情境與負載一致。(圖片來源：Apex Microtechnology)

在檢視規格書時，請留意關鍵的靜態與動態效能特性，如安全運作範圍 (SOA) 與脈衝回應 (圖 6)。如果使用前面的設計方式，則同等資料與規格的開發將變得非常耗時與困難。

圖 6：PB64 高電壓放大器的脈衝回應。(圖片來源：Apex Microtechnology)

當然，不同的高電壓應用，會需要不同的電壓與電流組合。對於觸感壓電傳感器等應用，所需的電壓可能比 Apex 單元所能提供的更高，但電流需求卻低很多。在這些情況中，採用針對高電壓處理所設計，但具有低功耗能力的 IC，會是可行的選項。

舉例而言，Texas Instruments 的 DRV8662 壓電觸感驅動器由於內建升壓轉換器，而能將 ±200 V 向上擺盪至 100 nF 負載 (亦可在更高電容負載下運作，但擺盪幅度降低)，所需的電源供應器只要 3.0 至 5.5 V 即可 (圖 7)。

圖 7：Texas Instruments 的 DRV8662 IC 主要針對驅動觸感設計的壓電致動器這類利基應用，可使用內部升壓 DC 轉換器，從個位數電壓電源將最高 ±200 V 的電壓送到電容負載。(圖片來源：Texas Instruments)

此 IC 只需要幾個外部被動元件，並且可支援 28.8 dB、34.8 dB、38.4 dB 與 40.7 dB 四種 GPIO 控制增益。該 IC 的額定電壓高達 ±200 V，但納入 4 mm × 4 mm × 0.9 mm QFN 封裝內，使其非常適合注重尺寸，又只有寥寥幾伏特可用之 DC 電源軌的可攜式應用。在使用壓電傳感器作為致動器的基本觸感應用中，驅動訊號可由數位類比轉換器 (DAC) 設定，此轉換器又由處理器所控制 (圖 8)。

圖 8：除了作為基本的類比高電壓驅動器使用外，DRV8662 含有四種使用者選擇的增益值，以便設定所需的輸出範圍。(圖片來源：Texas Instruments)

各項標準、法規要求：重大議題

針對低電壓設計，業界與政府只會設立最低使用者與系統安全標準或甚至沒有任何標準，而高電壓領域則不同，具備嚴格的規定。特定的標準因世界各地區與終端應用而有所不同，但一般來說，低於 50 至 60 V 的設計並沒有什麼限制，甚至沒有限制 (這是電話系統為何會採用 48 V 電源軌並沿用至今的原因之一)。設定多項標準的組織包含 UL、IRC 與 IPC。

然而隨著電壓升高，設計的實體配置也會有更為嚴格的要求，設計的電力故障模式與機械結構也深受關注，成為重大議題。許多法規標準注重電壓的位準而非電流，因為電壓對電路及使用者來說，是主要的風險來源。他們會嚴格遵守電力 (電壓) 與機械設計考量。

這些安全標準所關切的議題甚多，包括：

• 內部配置是否可能造成電弧或閃燃，甚至可能造成材料燃燒？
• 機械或封裝如果發生問題 (應力或撞擊造成破裂) 是否會讓使用者曝露於潛在的風險之中？
• 使用者是否會接觸到內部的較高電壓？

這些標準會為不同電壓位準定義最小「沿面距離與間隙」(圖 9)。沿面距離為 PC 板上裸露的兩點間沿著板面所測得的距離，而間隙則指兩個導電零件間在空中所測得的最短距離。隨著電壓提高，最小距離也需增加。

圖 9：沿面距離與間隙是影響較高電壓電路與系統中之佈局與機械設計的重要考量因素；基本最小距離只是考量的起點，並由電壓等其他因素共同決定。(圖片來源：PCB 設計技術指南)

然而最小沿面距離與間隙並非一張簡單的「電壓與距離比」圖表可表達。各項標準會針對電路的運作環境 (灰塵、濕度與其他粒子等)、使用的材料以及其他因素進行調整，會非常複雜而且不易理解。因此，請花些時間研究這些標準與任何相關指南。

一個設計若未達到相關標準，則無法獲得重要的認證。當然，若為了滿足規定，而在 PC 板上將裸露點或零件移動僅僅一毫米，不僅困難，且容易對設計產生不利的漣波效應。

因此，最好僱用高電壓標準專家或者在計畫早期階段可提供評估及指引的顧問，以避免電力和機械重新設計與重新測試，導致成本高昂且耗時。

做出決定

決定使用何種方式 (升壓電晶體、混合型模組、或 IC) 研發較高電壓，需由許多因素決定。首先，選用的做法是否支援各項最重要的參數，如電壓、電流、迴轉率等？第二，若純粹從電子的角度來看，團隊在設計高電壓類比放大器並且合規的能力如何？第三，設計團隊是否能辨識並理解相關的法規標準以及對設計的影響？

以上討論的選項與解決方案，將能提供各種較高電壓與電流的組合。然而除了基本電路設計外，有很多外部佈局與置放議題，必須在早期就進行探討。這些議題也會影響最後所選擇的高電壓放大器做法。

結論

雖然在較低電壓下運作有很多好處，通常仍還是需要結合低電壓與高電壓電路。如前文所述，如果採用正確的方法，謹慎選擇產品並進行實作，且嚴格遵循既有的標準，即可成功、安全地完成此任務。