Maxim滿足工業(yè)超聲應(yīng)用的高壓需求

目前可用的大多數(shù)超聲傳輸IC旨在涵蓋醫(yī)療應(yīng)用，并不一定滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。無損檢測 （NDT）、流量計和聲納等工業(yè)應(yīng)用通常對電壓能力、電流能力和頻率有不同的要求。Maxim的高壓（HV）產(chǎn)品具有極大的靈活性，可用于廣泛的應(yīng)用。本文介紹了MAX4940四通道高壓數(shù)字脈沖發(fā)生器和MAX4968高壓多路復(fù)用器（mux）的各種應(yīng)用。

概述

MAX4940高壓數(shù)字脈沖發(fā)生器

S1 和 S2 開關(guān)（分別連接到 VPP_ 和 VNN_）具有 200V 電壓能力和 2A 電流能力。

S3開關(guān)（在數(shù)據(jù)手冊中稱為“箝位”）具有200V電壓和1A電流能力。

數(shù)字脈沖發(fā)生器可在雙極和單極應(yīng)用中工作。換句話說，支持以下所有情況：

數(shù)字脈沖發(fā)生器可在雙極和單極應(yīng)用中工作。換句話說，支持以下所有情況：

INP_和INN_分別控制 S1 和 S2。

INC_控制 S3（鉗位），但它由 S1 和 S2 調(diào)節(jié)。在大多數(shù)應(yīng)用中，不需要驅(qū)動INC_。您始終可以保持高位，只駕駛INP_和INC_。這樣，S3 在每次 S1 和 S2 都關(guān)閉時都會激活。

圖1.MAX4940功能框圖（1個通道中的4個）。

MAX4968高壓模擬開關(guān)

圖2所示為MAX4968的基本功能圖，具有16個獨立的高壓模擬開關(guān)。每個開關(guān)的內(nèi)部狀態(tài)可通過SPI進行編程?接口。在大多數(shù)超聲應(yīng)用中，高壓模擬開關(guān)用于實現(xiàn)高壓多路復(fù)用器。

SW1A、SW1B 可從 V 擺動NN到 VNN+ 200V。

高壓模擬開關(guān)可在雙極性和單極性應(yīng)用中工作。輸入/輸出電壓范圍可以是以下情況之一：

（SW_） 范圍 = [+100V， -100V] 雙極性

（SW_） 范圍 = [0， -200V] 單極負極

（SW_） 范圍 = [+200V， 0] 單極性正極

VNN可以在0V至-200V范圍內(nèi)變化，具體取決于輸入信號的幅度及其極性。VNN可與脈沖發(fā)生器（變送器）負電源共用。

V聚丙烯是低壓電源（僅 10V）

等效 R上在整個輸入范圍內(nèi)（約20Ω）是平坦的，導(dǎo)通電容僅為16pF。

圖2.MAX4968功能框圖

支持的應(yīng)用程序

Maxim的高壓脈沖發(fā)生器和開關(guān)的獨特之處在于，它們可以在雙極和單極應(yīng)用中工作。（大多數(shù)工業(yè)超聲應(yīng)用都是單極的。Maxim解決方案在減小尺寸和簡化單極應(yīng)用方面具有巨大優(yōu)勢。 下面顯示了雙極和單極應(yīng)用的應(yīng)用圖和時間表。在某些情況下，可以省略外部草削波二極管。

雙極應(yīng)用

圖3.MAX4940四通道、雙極性數(shù)字脈沖發(fā)生器的典型應(yīng)用電路

圖4.MAX4940和MAX4968一起使用，大大簡化了雙極性應(yīng)用中高壓電源的設(shè)計。

筆記

為簡單起見，僅連接兩個通道，MAX4968配置為1：2 HV多路復(fù)用器。

僅需兩個高壓電源 （V聚丙烯， VNN).

MAX4940的裸焊盤（圖4未顯示）必須連接到VNN.

圖5.在雙極性負極應(yīng)用中使用MAX4940和MAX4968進行脈沖和開關(guān)的信號時序圖。

注意：CLP_始終很高。每個通道只有兩個控制信號，用于典型的三電平傳輸。

單極正應(yīng)用

圖6.MAX4940用于單極性正極性應(yīng)用。

圖7.在單極性應(yīng)用中同時使用MAX4940和MAX4968可減少對高壓電源的需求。

筆記

只需要一個高壓電源。

請注意，CGN_ 可直接連接 CDN_ 以便每個通道移除一個電容器。

V電子電氣不再需要MAX4940的電源電壓（V電子電氣引腳接地）。

電容容差為200V。

MAX4940的裸焊盤（未示出）可以接地。

圖8.在單極性正極應(yīng)用中使用MAX4940和MAX4968進行脈沖和開關(guān)的信號時序圖。

單極負應(yīng)用

圖9.MAX4940在單極性應(yīng)用中的應(yīng)用

圖 10.在單極性負極應(yīng)用中同時使用MAX4968和MAX4940可減少高壓電源的數(shù)量。

筆記

只需要一個高壓電源。

MAX4940的裸焊盤（未示出）連接到VNN.

與單極負極相比，單極正極（圖6和圖7）配置略為可取（需要的外部元件更少，裸露焊盤連接到GND平面以獲得更好的熱性能）。

圖 11.在單極性負極應(yīng)用中使用MAX4940和MAX4968進行脈沖和開關(guān)的信號時序圖。

通過BTL配置使電壓驅(qū)動器能力翻倍

在工業(yè)應(yīng)用中，通常需要以大于200V的電壓驅(qū)動傳感器。無損檢測、流量計量或其他應(yīng)用中使用的探頭元件可能需要超過200V的脈沖才能獲得更好的性能。

MAX4940可以在橋接負載（BTL）配置下驅(qū)動傳感器元件，使等效峰峰值激勵信號加倍。需要使用兩個MAX4940通道來驅(qū)動單個傳感器元件。勵磁電壓可達400VP-P.

只要單晶探頭的兩個電極都可用，就可以進行BTL配置。這不適用于大型換能器陣列，其中晶片通常共享通常連接到GND的公共節(jié)點。

圖 12 顯示了典型的 BTL 應(yīng)用程序圖。起點是單極性配置（在本例中為正）。但是，傳感器負載現(xiàn)在連接在OUT1_和OUT2_之間。圖13顯示了一個典型的驅(qū)動方案。因此，激勵信號的幅度可以達到2 x V聚丙烯，即 400VP-P.

圖 12.采用MAX4940的典型橋接負載（BTL）配置。

圖 13.BTL配置中典型驅(qū)動方案的時序圖。

通過并行化提高當(dāng)前驅(qū)動器能力

在工業(yè)應(yīng)用中，有時需要大于2A的電流驅(qū)動能力。這種高能力可用于驅(qū)動高容性負載（以nF量級為單位）或以高頻率（例如，高達30MHz至40MHz）工作。MAX4940通道可以并聯(lián)以增加電流能力（2通道= 4A，3通道= 6A等）。

例如，圖14顯示了一個正單極性4A數(shù)字脈沖發(fā)生器，使用2個通道并聯(lián)來驅(qū)動單個元件。雖然圖中顯示了MAX4940，但MAX4968也可以考慮類似的因素。相關(guān)方法也可用于雙極和單極負性應(yīng)用。通道可以并聯(lián)，以降低導(dǎo)通電阻并提高驅(qū)動能力。

圖 14.4A正單極脈沖發(fā)生器應(yīng)用示意圖。

使用 BTL 配置時，也可以并行化通道。換言之，MAX4940可用于驅(qū)動高達400V的單個元件P-P具有 4A 電流能力（圖 15）。

圖 15.MAX4940在BTL應(yīng)用中驅(qū)動4A的應(yīng)用圖

低頻和高頻操作

上面討論的應(yīng)用程序關(guān)系圖涵蓋了大多數(shù)應(yīng)用程序。但是，在某些情況下使用低頻信號（< 1MHz）。在聲納應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)這種情況，范圍從10kHz到200kHz。

或者，有時需要以高頻（> 20MHz）工作，通常是為了提高無損檢測應(yīng)用中的軸向分辨率或傳輸PWM調(diào)制信號。以下各節(jié)說明了這兩種類型的應(yīng)用程序。

低頻 （< 1MHz）

MAX4940的工作頻率低于1MHz。用具有更大值的電容器替換信號電容器（上面示例中為3.3nF）就足夠了。根據(jù)經(jīng)驗，您可以考慮以下公式：

CSIGNAL = 3.3nF/freq(MHz)

例如，對于100kHz應(yīng)用，建議值為33nF。相比之下，MAX4968基于自舉架構(gòu)。它不能在低于100kHz的頻率下工作。

高頻 （> 20MHz）

MAX4940的驅(qū)動電路可以工作在高頻（產(chǎn)生短脈沖），如40MHz。然而，實際限制通常是由于有限的驅(qū)動電流能力。

在一階近似中，負載可以被認為是純電容（CLOAD）。您可以達到的最大壓擺率與脈沖發(fā)生器可以提供的峰值電流（IPEAK）有關(guān)。在公式中，

SLEW_RATE = （δV/δt）max = IPEAK/CTOT

其中CTOT是總負載電容，包括傳感器電容、電纜電容和IC寄生電容。

現(xiàn)在假設(shè)您在單極性正模式下工作（圖6），并嘗試傳輸200V單極性突發(fā)。例如，如果CTOT = 400pF，則壓擺率限制為：

（δV/δt）max = IPEAK/CTOT = 2A/300pF = 6.66V/ns

因此，上升和下降時間大致由下式給出：

TRISE = TFALL ≈ 200V/（6.66V/ns） = 30ns

因此，200V幅度的最小脈沖寬度約為60ns。

當(dāng)然，對于雙極和單極負極應(yīng)用，也可以進行類似的考慮。

如上所述，您可以通過并聯(lián)更多通道來提高電流能力（IPEAK）。（請注意，IC寄生電容也會相應(yīng)增加）。因此，可以提高工作頻率。例如，使用圖14所示的4A脈沖發(fā)生器，理論上（忽略IC寄生電容）對于200V輸出擺幅，TRISE = TFALL = 15ns。

IPEAK = 4A，CTOT = 300pF，擺幅 = 200V →最小脈沖寬度 = 30ns

類似的考慮也適用于其他工作模式，例如雙極性和單極負極。

審核編輯：郭婷