Kombinieren von Hoch- und Niederspannungen in einem Design

Obwohl der Schwerpunkt eher auf niedrigeren Spannungen liegt, um den Stromverbrauch zu senken, müssen Entwickler häufig sowohl Nieder- als auch Hochspannungen in dasselbe Design integrieren. Hierbei werden sie vor die folgenden drei Herausforderungen gestellt: Entwicklung der Gleichstromschiene für die höhere Spannung, Bereitstellung analoger Verstärkungs-/Treiberfunktionen für die höhere Spannung sowie Einhaltung der geltenden Sicherheits- und Regulierungsvorschriften.

Niederspannungen (Betrieb unter 5 Volt) bieten zahlreiche Vorteile. Hierzu zählen unter anderem ein geringerer Stromverbrauch, geringere Verluste durch Wärmeentwicklung, ICs mit größerem Funktionsumfang, längere Laufzeiten und eine höhere Lebensdauer. Viele Anwendungen erfordern jedoch höhere Spannungen von mehreren Hundert Volt und höher. Anwendungen wie piezoelektrische Motoren, haptische Geräte, Druckkopftreiber, spezielle Sensoren und wissenschaftliche Instrumente benötigen höhere Spannungen, wobei die Ströme mit bis zu mehreren Hundert Milliampere (mA) häufig jedoch gering sind.

So ergibt sich ein Systemdesign, das Niederspannungsschaltkreise mit sehr viel höheren Spannungen mischt und den Entwickler dadurch in die Lage versetzt, die damit verbundenen Herausforderungen zu meistern.

Dieser Artikel behandelt neben der Theorie auch praktische Lösungsbeispiele für das Erzeugen der Hochspannungsschienen und das Bereitstellen der erforderlichen analogen Treiber. Zum Schluss wird noch auf die Einhaltung der behördlichen und sicherheitstechnischen Anforderungen eingegangen.

Bereitstellen der Hochspannungsschiene

Zur Bereitstellung der Hochspannungs-Gleichstromschiene können die Entwickler entweder eine Hochspannungsversorgung entwerfen und entwickeln oder sie können eine kaufen. Im Prinzip ist die Entwicklung einer Hochspannungsversorgung nicht besonders anspruchsvoll, insbesondere nicht für niedrigere Ströme. Es gibt zwei klassische Ansätze:

• Wenn lediglich eine Niederspannungs-Gleichstromquelle zur Verfügung steht, können die Entwickler einen Schaltkreis basierend auf einem zu diesem Zweck entworfenen DC/DC-Schaltregler mit Aufwärtsregelung implementieren.
• Ist eine Wechselstromquelle vorhanden, können eine oder mehrere Spannungsverdopplungsschaltungen verwendet werden (Abbildung 1).

Abbildung 1: In der Basisausführung einer Spannungsverdopplungsschaltung kommen Dioden und Kondensatoren zum Einsatz, um 120 V_AC(eff) (Spitzenspannung von 170 V_AC) in eine DC-Spannung mit doppelter Spitzenspannung zu transformieren. (Bildquelle: Lewis Loflin, Bristol Watch)

Ein Verdoppler in Basisausführung transformiert den Spitzenwert der AC-Spannung in eine doppelt so hohe DC-Spannung. Die Strommenge, die von einem Verdoppler bereitgestellt werden kann, ist eine Funktion der Kondensatorgröße. Höhere Ströme erfordern daher eine höhere Kapazität. Beachten Sie, dass es sich bei diesen Kondensatoren um spezielle Hochspannungskomponenten handeln muss, da die Standardkondensatoren für niedrigere Spannungen versagen würden und eventuell sogar explodieren könnten.

Obwohl sowohl der Ansatz mit Aufwärtsregelung als auch der mit Spannungsverdopplung funktioniert, treten bei beiden dieselben Probleme auf: Da hohe Spannungen im Spiel sind, müssen die Entwickler im Hinblick auf Layout, Lichtbogenüberschlag, Benutzersicherheit und Regulierungsstandards Vorsicht walten lassen.

Aus diesen Gründen bevorzugen viele Ingenieure die Verwendung handelsüblicher Hochspannungsversorgungen, so etwa die EMCO-Serie AG01P-5 von XP Power (Abbildung 2). Diese leiterplattenmontierte Komponente mit kleinem Formfaktor bietet ein Profil von 3,25 Millimetern (0,128 Zoll) und ein Volumen von weniger als 1639 Kubikmillimetern (0,100 Kubikzoll). Die Spannungsversorgung erfolgt über eine DC-Quelle mit 0,7 Volt bis 5 Volt und liefert dennoch 100 Volt bei 10 mA. Ein weiterer Vorteil ist die galvanische Trennung bis 500 Volt, die in vielen Fällen für den ordnungsgemäßen Systembetrieb und die Benutzer-/Gerätesicherheit erforderlich ist.

Abbildung 2: Der winzige DC/DC-Wandler AG01P-5 aus der EMCO-Serie von XP Power nutzt eine DC-Quelle zwischen 0,7 Volt und 5 Volt und liefert 100 Volt DC bei 10 mA. Er bietet außerdem eine Isolation bis 500 Volt. (Bildquelle: XP Power)

Für Anwendungen, die höhere Spannungen oder Ströme erfordern, bieten XP Power und andere Anbieter Basiskomponenten an, die bei Hunderten von mA Hunderte und sogar Tausende Volt bereitstellen können. Manche werden über eine Gleichstromschiene betrieben, während viele über eine Wechselstromquelle versorgt werden. Durch den Einsatz einer gebrauchsfertigen Standard-Hochspannungsversorgung von einem zuverlässigen Anbieter lassen sich sämtliche Hürden hinsichtlich der technischen Leistungsfähigkeit und der Regulierungsvorschriften effektiv überwinden. Somit können sich die Entwickler stattdessen darauf konzentrieren, wie die hohe Spannung am versorgten Schaltkreis angelegt wird.

Selbstverständlich gibt es Fälle, in denen eine OEM-Hochspannungsversorgung Sinn macht oder sogar die einzige Option darstellt. Beispiele sind Großserienanwendungen, bei denen sich Vorteile bezüglich der Stückliste ergeben können, Fälle, in denen eine Standardversorgung nicht über die benötigte Kombination aus Spannung und Stromstärke verfügt, Systeme, die einzigartige Platzbeschränkungen aufweisen oder eine Spannungsversorgung mit ungewöhnlichem Formfaktor benötigen, oder Fälle, in denen der OEM bereits Erfahrung mit der Entwicklung und der Implementierung von Hochspannungsversorgungen hat. Für die meisten Ingenieure stellt die Entwicklung der Hochspannungsversorgung aufgrund der Kombination aus technischen Anforderungen, Auswahl und Beschaffung ungewöhnlicher Komponenten und Umgang mit regulatorischen Aspekten jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe dar.

Bereitstellen des analogen Treibers

Sobald die Stromschiene steht, muss entschieden werden, wie die von der Last benötigte Analogverstärkung der Hochspannung umgesetzt werden soll. Beachten Sie, dass in manchen Situationen lediglich eine statische DC-Spannung für Vorspannungs- und ähnliche Schaltungen erforderlich ist, nicht aber ein dynamisches, regelbares, verstärktes Signal bei hoher Spannung. In diesen Fällen wird lediglich eine (eventuell einstellbare) Spannungsversorgung benötigt.

Dem Entwickler stehen drei Möglichkeiten zur Implementierung eines Hochspannungs-Operationsverstärkers zur Verfügung. Bei der ersten wird ein standardmäßiger Niederspannungs-Operationsverstärker mit einem Verstärkertransistor am Ausgang verwendet (Abbildung 3). Dadurch wird der Niederspannungsbereich am Ausgang in einen größeren Hochspannungsbereich gewandelt. In diesem Fall wird der Präzisions-Highspeed-Operationsverstärker LT1055 von Analog Devices als Kern des Verstärkers verwendet, wobei die Ausgangsspannung über drei PNP/NPN-Transistorpaare auf eine bipolare Rail-to-Rail-Spannung von ±125 Volt verstärkt wird.

Abbildung 3: Ein Ansatz für höhere Spannungen am Ausgang des Operationsverstärkers besteht darin, die Grundkomponente (z. B. den LT1055) um komplementäre Verstärkertransistoren zu ergänzen, um sich so die Eingangsmerkmale des Operationsverstärkers zu Nutze zu machen. (Bildquelle: Analog Devices)

Dieser Ansatz ist praktikabel und für diesen Zweck geeignet. Er erfordert jedoch eine beträchtliche Anzahl zusätzlicher aktiver und passiver diskreter Komponenten. Des Weiteren müssen die ausgewählten NPN-/PNP-Transistortypen auf entweder ähnliche oder komplementäre Spezifikationen für Verstärkung, Anstiegsrate und weitere Parameter (abhängig vom speziellen Parameter) abgestimmt werden, um die Symmetrie im bipolaren Betrieb zu gewährleisten. Von daher ist eine sorgfältige Spice- bzw. eine ähnliche Modellierung des Designs erforderlich, wobei auch die Auswirkungen der Komponententoleranz zu berücksichtigen sind.

Für die zweite Option werden Operationsverstärker verwendet, die speziell für den Betrieb mit hohen Spannungen entwickelt wurden. Während es sich hierbei aufgrund von Beschränkungen des Halbleiterprozesses üblicherweise nicht um monolithische Bauteile handelt, sind sie in einem kleinen Modul untergebracht und können als Einzelkomponenten verwendet werden. Diese Komponenten werden häufig zusammen mit einem kleineren Niederspannungs-Operationsverstärker verwendet, der primär als Signalpuffer fungiert.

Ein Beispiel hierfür ist der duale Hochspannungs-Booster-Verstärker PB64 von Apex Microtechnology. Diese Komponente wurde für eine Spannungs- und Stromverstärkung mit einem Kleinsignal-Allzweck-Operationsverstärker entwickelt (Abbildung 4). Sie ist in einem elektrisch isolierten SIP-Gehäuse mit 12 Pins untergebracht und misst 31 mm x 20 mm x 7 mm (1,2 Zoll x 0,8 Zoll x 0,27 Zoll), wobei die Durchsteckpins nicht berücksichtigt sind. Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen wissenschaftliche Instrumente sowie Testaufbauten für Leistungshalbleiter und LED-/LCD-Arrays.

Abbildung 4: Obwohl es sich nicht um einen monolithischen IC handelt, kann eine Komponente wie der Hochspannungsverstärker PB64 von Apex Technology ebenso leicht integriert werden wie eine Niederspannungskomponente. (Bildquelle: Apex Microtechnology)

Die maximale Ausgangsspannung des PB64 beträgt ±75 Volt. Dieser Wert ist zwar nicht so hoch wie bei der vorherigen diskreten Lösung, aber dennoch bietet dieser Ansatz zwei relative Vorteile. Er erfordert bei Verwendung mit einem Puffer lediglich wenige unkritische Passivkomponenten und kann mit bis zu ±2 A eine beträchtliche Strommenge liefern (Abbildung 5).

Abbildung 5: In den meisten Anwendungen kommt der Hochspannungsverstärker PB64 zusammen mit einem Standard-Operationsverstärker als Eingangspuffer zum Einsatz, um zu gewährleisten, dass Eingangssignal und Last konsistent sind. (Bildquelle: Apex Microtechnology)

Achten Sie beim Durchsehen der Datenblätter auf kritische statische und dynamische Leistungsmerkmale wie den sicheren Betriebsbereich und die Impulsantwort (Abbildung 6). Die Ausarbeitung der entsprechenden Daten und Spezifikationen ist zeitaufwendig und schwieriger als beim vorherigen Designansatz.

Abbildung 6: Diagramm der Impulsantwort für den Hochspannungsverstärker PB64. (Bildquelle: Apex Microtechnology)

Die verschiedenen Hochspannungsanwendungen erfordern selbstverständlich verschiedene Kombinationen aus Spannung und Strom. Es kann sein, dass die für Anwendungen wie haptische piezoelektrische Wandler benötigte Spannung höher ist als die Spannung, die mit der Komponente von Apex bereitgestellt werden kann. Die Stromanforderungen sind jedoch sehr viel geringer. In solchen Fällen kann es praktikabel sein, einen auf einem Hochspannungsprozess aufbauenden IC mit sehr viel geringerer Verlustleistung zu verwenden.

Texas Instruments beispielsweise hat mit dem DRV8662 einen haptischen Piezo-Treiber im Angebot, der bei einer Stromversorgung mit lediglich 3,0 bis 5,5 Volt eine Last von 100 nanoFarad (nF) mit bis zu ±200 Volt versorgen kann (bei geringerer Schwingung sind sogar noch höhere kapazitive Lasten möglich) (Abbildung 7).

Abbildung 7: Der IC DRV8662 von Texas Instruments wurde primär für die Nischenanwendung konzipiert, piezoelektrische Aktoren für haptische Designs anzutreiben. Er kann mit seinem internen DC-Aufwärtswandler eine kapazitive Last bei einer Spannungsquelle mit einstelligen Voltzahlen mit bis zu ±200 V versorgen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Dieser IC erfordert nur wenige externe Passivkomponenten und unterstützt vier GPIO-gesteuerte Verstärkungen von 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB und 40,7 dB. Trotz seiner Nennspannung von ±200 Volt ist er in einem winzigen QFN-Gehäuse (4 mm × 4 mm × 0,9 mm) untergebracht und somit bestens für tragbare Anwendungen geeignet, bei denen die Größe eine Rolle spielt und die verfügbare DC-Spannungsschiene nur wenige Volt liefert. In einer einfachen haptischen Anwendung mit einem Piezo-Wandler als Aktuator könnte das Treibersignal über einen Digital/Analog-Wandler (DAC) eingestellt werden, der wiederum von einem Prozessor gesteuert wird (Abbildung 8).

Abbildung 8: Neben seiner Funktionsweise als einfacher analoger Hochspannungstreiber verfügt der DRV8662 über vier vom Benutzer wählbare Verstärkungswerte, um den gewünschten Ausgangsbereich festzulegen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Standards und Vorschriften: ein großes Problem

Im Gegensatz zu Niederspannungsdesigns, für die nur minimale bzw. keine Branchenstandards und staatlichen Normen bezüglich der Benutzer- und Systemsicherheit zu beachten sind, ist in der Welt der Hochspannungsanwendungen das genaue Gegenteil der Fall. Abhängig von Region und Endanwendung gelten unterschiedliche Standards. Im Allgemeinen jedoch gibt es für Designs unter 50 bis 60 Volt nur wenige oder keine Beschränkungen (ein Grund dafür, warum für das Telefonsystem nach wie vor die 48-Volt-Schiene verwendet wird). Zu den zahlreichen Organisationen, von denen Standards festgelegt werden, zählen UL, IRC und IPC.

Sobald die Spannungen jedoch höher werden, stellen die zunehmend strengeren Anforderungen an die physikalische Anordnung des Designs sowie die Beachtung von Versagensmodi für die elektrischen Komponenten des Designs und seine mechanische Struktur ein großes Problem dar. Die meisten Regulierungsstandards konzentrieren sich nicht auf die Stromstärke, sondern auf die Spannungshöhe, da von der Spannung das primäre Risiko für Schaltkreis und Benutzer ausgeht. Sie bringen elektrische (Spannung) und mechanische Designüberlegungen in Einklang.

Die Sicherheitsstandards betreffen viele verschiedene Punkte, unter anderem folgende:

• Lässt die interne Anordnung Lichtbogen- oder Funkenüberschlag zu oder eventuell sogar ein Verbrennen von Materialien?
• Wird der Benutzer durch mechanisches Versagen oder ein beschädigtes Gehäuse (Spannungsrisse oder Schäden nach einem Aufprall) einer Gefahr ausgesetzt?
• Kann ein Benutzer mit den hohen internen Spannungen in Kontakt kommen?

Standards definieren Mindestabmessungen für „Kriech- und Luftstrecken“ bei verschiedenen Spannungspegeln (Abbildung 9). Die Kriechstrecke ist der Abstand zwischen zwei exponierten Stellen auf der Leiterplatte gemessen entlang der Oberfläche der Leiterplatte. Die Luftstrecke hingegen ist der kürzeste Abstand (Luftlinie) zwischen zwei leitenden Bauteilen. Die Mindestabstände nehmen mit steigender Spannung zu.

Abbildung 9: Kriech- und Luftstrecken sind wesentliche Gesichtspunkte, die sich bei Hochspannungsschaltkreisen und -systemen auf Layout und mechanisches Design auswirken. Die grundsätzlichen minimalen Abmessungen stellen lediglich einen Ausgangspunkt dar und sind eine Funktion der Spannung sowie weiterer Faktoren. (Bildquelle: PCB Design Tech Guide)

Eine einfache Tabelle, in der Spannungen und Abstände gegenübergestellt werden, ist für die Mindestwerte von Kriech- und Luftstrecken jedoch bei Weitem nicht alles. Die Standards machen abhängig von der Betriebsumgebung des Schaltkreises (Staub, Feuchtigkeit und sonstige Partikel), den verwendeten Materialien und weiteren Faktoren entsprechende Anpassungen erforderlich. Da dies relativ komplex und verwirrend ist, sollten Sie sich ausreichend Zeit nehmen und die Standards sowie jegliche relevanten Richtlinien genauestens studieren.

Einem Design, das die relevanten Standards nicht erfüllt, wird die erforderliche Zertifizierung verweigert werden. Selbst das Verschieben exponierter Stellen oder Bauteile auf der Leiterplatte um nur einen Millimeter zur Einhaltung geltender Vorschriften gestaltet sich häufig schwierig und wird vermutlich weitere unangenehme Auswirkungen auf das Design mit sich bringen.

Es ist daher wichtig, dass sich unter Ihren Mitarbeitern ein Hochspannungsexperte befindet oder Sie mit einem Berater arbeiten, der das Projekt bereits in der Frühphase bewerten und leiten kann. Dadurch können kostspielige und zeitraubende Änderungen am elektrischen und mechanischen Design sowie erneute Tests vermieden werden.

Auswahl des Ansatzes

Bei der Auswahl des geeigneten Ansatzes – Verstärkertransistoren, Hybridmodul oder IC – zur Entwicklung von Hochspannungsanwendungen spielen viele Faktoren eine Rolle. Erstens: Wird der gewählte Ansatz den wichtigsten Parametern wie Spannung, Strom, Anstiegsrate usw. gerecht? Zweitens: Wie steht es, aus einer rein elektronischen Perspektive, um die Fähigkeiten des Teams, einen analogen Hochspannungsverstärker zu entwickeln und anzupassen? Drittens: Kennt und versteht das Entwicklerteam die relevanten Regulierungsstandards und ihre Auswirkungen auf das Design?

Die behandelten Optionen und Lösungen ermöglichen verschiedene Kombinationen höherer Spannungen und Ströme. Zusätzlich zum grundlegenden Schaltungsdesign gibt es zahlreiche externe Layout- und Platzierungsaspekte, die bereits frühzeitig berücksichtigt werden müssen. Diese Aspekte beeinflussen ebenfalls die Auswahl des letztendlich zur Entwicklung eines Hochspannungsverstärkers verwendeten Ansatzes.

Fazit

Obwohl der Betrieb mit niedrigeren Spannungen viele Vorteile hat, müssen Nieder- und Hochspannungsschaltkreise häufig in Kombination verwendet werden. Dies ist, wie oben dargelegt, erfolgreich und sicher möglich, wenn der richtige Ansatz verfolgt, bei der Produktauswahl und -implementierung mit Sorgfalt vorgegangen und etablierte Standards eingehalten werden.