Лайонел Уоллес (Lionel Wallace), Джейсон Фишер (Jason Fischer), Бенджамин Даутс (Benjamin Douts)
Регулируемый прецизионный высоковольтный источник питания для формирования напряжения смещения датчиков
Статья опубликована в журнале "Компоненты и технологии " №7 2021
Есть ли простой способ создать высоковольтный источник питания для реализации напряжения смещения? Конечно, если использовать микросхемы со встроенными прецизионными резисторами для организации цепей обратной связи.

Введение

Создание источника питания, обеспечивающего высокую точность регулировки выходного напряжения, может оказаться весьма непростой задачей. Сложность заключается в потенциальном отклонении выходного значения напряжения от требуемой величины из-за временного или температурного дрейфа, а также разброса параметров компонентов, связанных с особенностями их производства. Наиболее распространенным источником
ошибок, как правило, становятся резисторы в цепи обратной связи. В статье приведен пример схемы источника питания, в котором цепь обратной связи организована на базе отдельной микросхемы со встроенными прецизионными резисторами, что позволяет обеспечить более высокую точность регулировки выходного напряжения, уменьшить дрейф, а также снизить стоимость схемы относительно решений с цепями обратной связи, построенными на дискретных компонентах.
Рис. 1. Пример традиционной схемы для высоковольтной регулируемой цепи смещения
На рис. 1 показан пример схемы, традиционно используемой для регулируемого смещения напряжения в высоковольтных источниках питания. ЦАП на схеме отвечает за генерацию управляющего напряжения, а операционный усилитель — за усиление сигнала. Уровень напряжения на выходе схемы составляет ~0−110 В при значении управляющего напряжения 0−5 В.
Поскольку в большинстве случаев высоковольтные датчики имеют емкостную структуру, для изоляции выхода операционного усилителя от нагрузки и предотвращения проблем со стабильностью на выходе схемы был добавлен резистор R2.
В большинстве случаев схема, изображенная на рис. 1, работает достаточно хорошо, однако когда необходима более высокая точность или требуется возможность долгой и стабильной работы, предпочтительно использовать в цепи обратной связи отдельную микросхему с интегрированными прецизионными резисторами.
Рис. 2. Схема, построенная в среде моделирования LTspice, уровень смещения выходного напряжения составляет ~0−110 В
Реализация цепи обратной связи с помощью микросхемы
На рис. 2 приведен пример схемы, в которой цепь обратной связи строится на основе отдельной микросхемы. Схема была спроектирована с учетом следующих требований:
• величина управляющего напряжения: 0−5 В;
• выходное напряжение регулируется и находится в пределах ~0−110 В;
• выходной ток: >10 мА;
• точность регулировки: ±0,1%.
• схема не требует подключения внешних прецизионных резисторов.
Построенная на основе приведенных требований, схема состоит из трех основных частей: блока генерации управляющего напряжения, интегратора и цепи обратной связи. В отличие от предыдущей схемы, цепь обратной связи в данном случае строится не при помощи резисторов, а на основе специальной микросхемы.
Так как диапазон управляющего напряжения составляет 0−5 В, для удовлетворения требований по диапазону выходных напряжений коэффициент усиления схемы должен равняться 22 (0*22 = 0,5*22 = 110). В качестве компонента, ответственного за генерацию управляющего напряжения, был выбран ЦАП AD5683R [1] — миниатюрный 16‑битный цифро-аналоговый преобразователь, входящий в семейство nanoDAC компании Analog Devices, значение температурного дрейфа которого составляет всего 2 ppm/°C. Выбранный диапазон управляющих напряжений с учетом остальных компонентов схемы позволяет обеспечить смещение уровня напряжения вплоть до 110 В с шагом ~1,68 мВ.
В качестве интегратора выбрана микросхема LTC6090 [2] — высоковольтный rail-to-rail операционный усилитель с входным током смещения 50 пА. Благодаря низкой величине входного тока смещения обеспечивается высокая точность регулировки схемы. Еще одной
особенностью LTC6090 является значение коэффициента усиления без обратной связи (open-loop gain) на уровне >140 дБ, что позволяет минимизировать погрешность конечного усиления.
Задача LTC6090 — сравнивать значение напряжения, полученное с цепи обратной связи с управляющим напряжением, и интегрировать разность (то есть ошибку), тем самым регулируя выход (VBIAS) до желаемого значения. Время интегрирования формируется при помощи R1 и C1 и не влияет на точность усилителя, поэтому для его определения не требуется прецизионных компонентов. Для тестирования схемы в качестве нагрузки использовались параллельно подключенные резистор и конденсатор номиналом 11 кОм и 2,2 мкФ соответственно.
Рис. 3. Пример расчета параметров LT1997−2 для достижения коэффициента усиления 0,4545
Для организации обратной связи в качестве микросхемы был взят дифференциальный Funnel-усилитель LT1997−2 [3], который обеспечивает ослабление сигнала с коэффициентом 22 (коэффициент усиления = 0,4545) в контуре обратной связи. Расчет компонентов, необходимых для установки нужного коэффициента усиления LT1997−2, можно легко провести с помощью специального онлайн-калькулятора на сайте Analog Devices [4]. На рис. 3 показан пример расчета параметров LT1997−2 для схемы, изображенной на рис. 2.
LT1997−2 довольно гибок в настройке и позволяет использовать широкий диапазон коэффициентов усиления/ослабления. Соответствующие примеры настройки приведены в документации на компонент [5]. Отдельно следует упомянуть и оценочную плату LT1997−2 [6], которая позволяет устанавливать требуемый коэффициент усиления при помощи перемычек (рис. 4).
Рис. 4. Оценочная плата LT1997-2 (коэффициент
усиления устанавливается при помощи перемычек)
Стенд для испытаний На основе смоделированной в среде
LTspice и изображенной на рис. 2 схемы был собран испытательный стенд (рис. 5). Процесс сборки во многом был упрощен за счет использования оценочных и демонстрационных плат:
• EVAL-AD5683R — оценочная плата на базе ЦАП AD5683R;
• DC1979A — демонстрационная плата операционного rail-to-rail-усилителя LTC6090 с выходным напряжением 140 В (плата была модифицирована для проведения тестов);
• DC2551A-B — демонстрационная плата на базе настраиваемого прецизионного усилителя LT1997 (плата также была модифицирована);
• DC2275A — демонстрационная плата повышающего преобразователя с инвертирующим выходом LT8331, входное напряжение в пределах 10−48 В, значение выходного напряжения составляет 120 В при величине тока до 80 мА;
• DC2354A — демонстрационная плата понижающего преобразователя с инвертирующим выходом LTC7149, настроенного на отрицательный выход. Входное напряжение в пределах 3,5−55 В, значение выходного напряжения составляет от -3,3/-5 до -56 В при токе до 4 А.
Рис. 5. Блок-схема испытательного стенда
Генерация управляющего напряжения
Управляющее напряжение для схемы было задано с помощью оценочной платы AD5683R. Плата была подключена через порт USB к портативному компьютеру, на котором запущено программное обеспечение Analog Devices ACE (Analysis, Control, Evaluation — анализ, управление, оценка). ACE имеет простой графический интерфейс и позволяет легко настроить AD5683R, установив необходимый уровень выходного напряжения микросхемы (рис. 6).
Рис. 6. Настройка оценочной платы AD5683R в программе Analog Devices ACE
Точность схемы при работе в режиме постоянного тока
В таблице 1 и на рис. 7 приведены результаты измерений напряжения на выходе схемы, а также их отклонение в процентном соотношении от желаемого значения. Для измерений использовался цифровой мультиметр Keysight 34460A, температура окружающей среды при этом составила +24 °C. Значение управляющего напряжения, выдаваемого оценочной платой AD5683R, было откалибровано с точностью до четырех десятичных знаков и контролировалось при помощи программы Analog Devices ACE. Надо отметить, что результаты были получены
при использовании только одного комплекта плат и не отражают минимального или максимального значения возможного отклонения, выдаваемого схемой.
Обратите внимание, что при выходном напряжении ниже ~40 В ошибка смещения напряжения значительно больше и снижается по мере роста напряжения на выходе. Более подробная информация об ошибках, а также их анализ приведены в следующих разделах статьи.
Рис. 7. Зависимость ошибки от уровня выходного напряжения
Точность схемы при работе в режиме переменного тока
В данном случае на управляющий вход схемы была подана ступенчатая функция с различными уровнями напряжения. Результаты измерений напряжения на выходе схемы и напряжения в цепи обратной связи приведены на рис. 8. Следует обратить внимание, что, несмотря на ступенчатую форму напряжения на входе, напряжение на выходе плавно увеличивается до желаемого значения.
Рис. 8. Результаты измерений напряжения при подаче ступенчатого сигнала
на вход схемы:
а) уровень напряжения на управляющем входе 0−1 В;
б) уровень напряжения на управляющем входе 0−2,5 В;
в) уровень напряжения на управляющем входе 0−5 В
Форма сигналов при запуске схемы
В процессе проведения описанного теста были запечатлены формы сигналов на различных участках схемы в момент подачи питания (рис. 9). Данный тип тестов необходим для того, чтобы убедиться, что в момент запуска схемы на ее выходе отсутствуют скачки напряжения, превышающие номинальное значение. Управляющее напряжение, обеспечиваемое AD5683R, в момент запуска схемы составило 0 В. По мере роста напряжения в цепи питания на выходе схемы наблюдался небольшой выброс ~3 В, однако с учетом величины выходного напряжения, которое генерирует источник в нормальном режиме (0−110 В), данным импульсом вполне можно пренебречь, по крайней мере во время проведения тестовых испытаний.
При использовании описываемой схемы в реальном приложении целесообразно было бы упорядочить источники питания таким образом, чтобы сначала подавались управляющие напряжения, а затем запускался высоковольтный источник питания. Такая последовательность позволит избежать скачков напряжения на выходе в момент запуска схемы. Для реализации такого типа подключения достаточно использовать простой аналоговый секвенсор, такой как ADM1186 [7].
Рис. 9. Форма сигналов в момент запуска:
а) источников питания; б) на различных участках схемы
Внешний вид испытательного стенда
Оценочная плата LTC6090 была установлена снизу платы LT1997−2. Это были единственные платы, которые требовали внесения модификаций перед проведением тестов (рис. 10). Остальные платы использовались в исходной конфигурации.
Рис. 10. Оценочная плата LT1997−2 с платой LTC6090, устанавливаемой снизу
Анализ ошибок
По результатам тестов выполнен анализ ошибок, суть которых заключалась в отклонении выходного напряжения схемы от желаемого значения. Рассчитанный уровень максимального и номинального значения погрешности приведен в таблицах 2 и 3.
Максимальный уровень отклонения напряжения на выходе при желаемом уровне 110 В согласно расчетам составляет 0,0382%, или 42 мВ. При расчете учитывались погрешности всех элементов схемы, а также их изменение в температурном диапазоне работы (-40… +125 °C). Рассчитанное номинальное значение отклонения составило 0,839%, что вполне соотносится с ранее измеренными показателями: 0,008%, или 9 мВ.
Примечание об источниках питания
Подача питания на компоненты схемы осуществлялось при помощи источников ±5, 24 и 120 В. Ниже приведено несколько примечаний, объясняющих выбор источников именно с этими параметрами:
• Для питания ЦАП AD5683R требуется 5 В:
— чтобы получить управляющее напряжение 5 В от ЦАП, напряжение источника питания должно быть установлено немного выше 5 В, так как даже небольшие нагрузки в цепи питания могут ограничить максимальное выходное значение. Дополнительная информация по данному вопросу доступна в документации [8].
• Напряжение -5 В использовалось, чтобы LTC6090 и LT1997−2 могли работать с управляющим напряжением, приближающимся к 0 В:
— диапазон синфазного входного сигнала для LTC6090 ограничен 3 В;
— демонстрационная плата LTC7149 использовалась для удобства генерации -5 В;
• плата LTC7149 может выдавать до 4 А,
• LTC7149 требует <25 мА при -5 В. Достаточно простого инвертора Charge Pump, например ADP5600.
• 120 В подавались на LTC6090:
— так как LTC6090 имеет rail-to-rail-конфи-гурацию, большие нагрузки требуют подачи дополнительного питания.
• 24 В использовались в качестве питания для LT1997−2:
— данное значение напряжения было выбрано, чтобы избежать работы микросхемы в режиме Over-The-Top, поскольку при работе в данном режиме некоторые характеристики LT1997−2
ухудшаются. Дополнительная информация по вопросу доступна в документации [5].
Сравнение характеристик компонентов цепи обратной связи
В заключение сравним несколько основных характеристик компонентов схемы источника питания, используемых в традиционной топологии цепи обратной связи, с характеристиками микросхемы LT1997−2 с интегрированными прецизионными резисторами (рис. 11, табл. 4−6).
Несмотря на то что микросхема LT1997−2 оказывается дороже, чем два дискретных резистора 1206, она также предлагает разработчику гораздо лучшие показатели точности и более высокое рабочее напряжение. При сравнении с металлопленочными компонентами LT1997−2, наоборот, получает выигрыш в стоимости, а также имеет преимущество в размерах. При сравнении с полупроводниковыми резисторами, LT1997−2 обеспечивает преимущества в точности и диапазоне рабочих напряжений. Помимо описанных выше характеристик, к ключевым преимуществам использования LT1997−2 относится и то, что в микросхему интегрировано сразу несколько прецизионных резисторов с разным номиналом, что позволяет настраивать величину сопротивления цепи обратной посредством объединения входов/выходов микросхемы при помощи перемычек.
Рис. 11. Блок-схема микросхемы LT1997−2
Использование микросхемы с интегрированными прецизионными резисторами в цепи обратной связи имеет еще одно важное преимущество, которое может быть незаметно на первый взгляд. Дело в том, что чувствительные контакты операционного усилителя в данном случае будут изолированы от внешней среды корпусом микросхемы, что позволяет избежать влияния на них паразитных сигналов. Кроме того, во многих конфигурациях резисторы извне подтягиваются к «земле» или питанию и использование LT1997-2 позволяет сократить пути утечки, которые являются распространенной причиной ошибок в цепях высокого напряжения. Дополнительная информация по этому вопросу доступна в документации [9].

Заключение
В схемах регулируемых высоковольтных источников питания традиционно использовались дискретные операционные усилители и резисторы для реализации цепей обратной связи. Хотя этот подход прост для понимания, в некоторых случаях он не позволяет добиться требуемой точности регулировки и выходных параметров. Выходом из ситуации является использование готовых микросхем с интегрированными в них прецизионными резисторами, таких как LT1997-2.

Литература
1. www.analog.com/ru/products/ad5683r.html
2. www.analog.com/ru/products/ltc6090.html
3. www.analog.com/ru/products/LT1997-2.html
4. beta-tools.analog.com/toolbox/LT1997-2
5. www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/LT1997-2.pdf
6. www.analog.com/ru/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/DC2551A-B.html
7. www.analog.com/ru/products/adm1186.html
8. www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/
AD5683R_5682R_5681R_5683.pdf
9. www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/6090fe.pdf