Maxim满足工业超声应用的高压需求

目前可用的大多数超声传输IC旨在涵盖医疗应用，并不一定满足工业应用的需求。无损检测 （NDT）、流量计和声纳等工业应用通常对电压能力、电流能力和频率有不同的要求。Maxim的高压（HV）产品具有极大的灵活性，可用于广泛的应用。本文介绍了MAX4940四通道高压数字脉冲发生器和MAX4968高压多路复用器（mux）的各种应用。

概述

MAX4940高压数字脉冲发生器

S1 和 S2 开关（分别连接到 VPP_ 和 VNN_）具有 200V 电压能力和 2A 电流能力。

S3开关（在数据手册中称为“箝位”）具有200V电压和1A电流能力。

数字脉冲发生器可在双极和单极应用中工作。换句话说，支持以下所有情况：

数字脉冲发生器可在双极和单极应用中工作。换句话说，支持以下所有情况：

［VPP， VNN］ = ［+100V， -100V］ 双极性

［VPP， VNN］ = ［0， -200V］ 单极负极

［VPP， VNN］ = ［+200V， 0］ 单极性正极

INP_和INN_分别控制 S1 和 S2。

INC_控制 S3（钳位），但它由 S1 和 S2 调节。在大多数应用中，不需要驱动INC_。您始终可以保持高位，只驾驶INP_和INC_。这样，S3 在每次 S1 和 S2 都关闭时都会激活。

图1.MAX4940功能框图（1个通道中的4个）。

INP_	店_	CLP_	外_
X	X	X	高阻态
0	0	0	高阻态
0	0	1	接地
0	1	X	VNN_
1	0	X	V聚丙烯_
1	1	X	不允许

MAX4968高压模拟开关

图2所示为MAX4968的基本功能图，具有16个独立的高压模拟开关。每个开关的内部状态可通过SPI进行编程™接口。在大多数超声应用中，高压模拟开关用于实现高压多路复用器。

SW1A、SW1B 可从 V 摆动NN到 VNN+ 200V。

高压模拟开关可在双极性和单极性应用中工作。输入/输出电压范围可以是以下情况之一：

（SW_） 范围 = [+100V， -100V] 双极性

（SW_） 范围 = [0， -200V] 单极负极

（SW_） 范围 = [+200V， 0] 单极性正极

VNN可以在0V至-200V范围内变化，具体取决于输入信号的幅度及其极性。VNN可与脉冲发生器（变送器）负电源共用。

V聚丙烯是低压电源（仅 10V）

等效 R上在整个输入范围内（约20Ω）是平坦的，导通电容仅为16pF。

图2.MAX4968功能框图

支持的应用程序

Maxim的高压脉冲发生器和开关的独特之处在于，它们可以在双极和单极应用中工作。（大多数工业超声应用都是单极的。Maxim解决方案在减小尺寸和简化单极应用方面具有巨大优势。 下面显示了双极和单极应用的应用图和时间表。在某些情况下，可以省略外部草削波二极管。

双极应用

图3.MAX4940四通道、双极性数字脉冲发生器的典型应用电路

图4.MAX4940和MAX4968一起使用，大大简化了双极性应用中高压电源的设计。

笔记

为简单起见，仅连接两个通道，MAX4968配置为1：2 HV多路复用器。

仅需两个高压电源 （V聚丙烯， VNN).

MAX4940的裸焊盘（图4未显示）必须连接到VNN.

图5.在双极性负极应用中使用MAX4940和MAX4968进行脉冲和开关的信号时序图。

注意：CLP_始终很高。每个通道只有两个控制信号，用于典型的三电平传输。

单极正应用

图6.MAX4940用于单极性正极性应用。

图7.在单极性应用中同时使用MAX4940和MAX4968可减少对高压电源的需求。

笔记

只需要一个高压电源。

请注意，CGN_ 可直接连接 CDN_ 以便每个通道移除一个电容器。

V电子电气不再需要MAX4940的电源电压（V电子电气引脚接地）。

电容容差为200V。

MAX4940的裸焊盘（未示出）可以接地。

图8.在单极性正极应用中使用MAX4940和MAX4968进行脉冲和开关的信号时序图。

单极负应用

图9.MAX4940在单极性应用中的应用

图 10.在单极性负极应用中同时使用MAX4968和MAX4940可减少高压电源的数量。

笔记

只需要一个高压电源。

MAX4940的裸焊盘（未示出）连接到VNN.

与单极负极相比，单极正极（图6和图7）配置略为可取（需要的外部元件更少，裸露焊盘连接到GND平面以获得更好的热性能）。

图 11.在单极性负极应用中使用MAX4940和MAX4968进行脉冲和开关的信号时序图。

通过BTL配置使电压驱动器能力翻倍

在工业应用中，通常需要以大于200V的电压驱动传感器。无损检测、流量计量或其他应用中使用的探头元件可能需要超过200V的脉冲才能获得更好的性能。

MAX4940可以在桥接负载（BTL）配置下驱动传感器元件，使等效峰峰值激励信号加倍。需要使用两个MAX4940通道来驱动单个传感器元件。励磁电压可达400VP-P.

只要单晶探头的两个电极都可用，就可以进行BTL配置。这不适用于大型换能器阵列，其中晶片通常共享通常连接到GND的公共节点。

图 12 显示了典型的 BTL 应用程序图。起点是单极性配置（在本例中为正）。但是，传感器负载现在连接在OUT1_和OUT2_之间。图13显示了一个典型的驱动方案。因此，激励信号的幅度可以达到2 x V聚丙烯，即 400VP-P.

图 12.采用MAX4940的典型桥接负载（BTL）配置。

图 13.BTL配置中典型驱动方案的时序图。

通过并行化提高当前驱动器能力

在工业应用中，有时需要大于2A的电流驱动能力。这种高能力可用于驱动高容性负载（以nF量级为单位）或以高频率（例如，高达30MHz至40MHz）工作。MAX4940通道可以并联以增加电流能力（2通道= 4A，3通道= 6A等）。

例如，图14显示了一个正单极性4A数字脉冲发生器，使用2个通道并联来驱动单个元件。虽然图中显示了MAX4940，但MAX4968也可以考虑类似的因素。相关方法也可用于双极和单极负性应用。通道可以并联，以降低导通电阻并提高驱动能力。

图 14.4A正单极脉冲发生器应用示意图。

使用 BTL 配置时，也可以并行化通道。换言之，MAX4940可用于驱动高达400V的单个元件P-P具有 4A 电流能力（图 15）。

图 15.MAX4940在BTL应用中驱动4A的应用图

低频和高频操作

上面讨论的应用程序关系图涵盖了大多数应用程序。但是，在某些情况下使用低频信号（< 1MHz）。在声纳应用中经常出现这种情况，范围从10kHz到200kHz。

或者，有时需要以高频（> 20MHz）工作，通常是为了提高无损检测应用中的轴向分辨率或传输PWM调制信号。以下各节说明了这两种类型的应用程序。

低频 （< 1MHz）

MAX4940的工作频率低于1MHz。用具有更大值的电容器替换信号电容器（上面示例中为3.3nF）就足够了。根据经验，您可以考虑以下公式：

CSIGNAL = 3.3nF/freq(MHz)

例如，对于100kHz应用，建议值为33nF。相比之下，MAX4968基于自举架构。它不能在低于100kHz的频率下工作。

高频 （> 20MHz）

MAX4940的驱动电路可以工作在高频（产生短脉冲），如40MHz。然而，实际限制通常是由于有限的驱动电流能力。

在一阶近似中，负载可以被认为是纯电容（CLOAD）。您可以达到的最大压摆率与脉冲发生器可以提供的峰值电流（IPEAK）有关。在公式中，

SLEW_RATE = （δV/δt）max = IPEAK/CTOT

其中CTOT是总负载电容，包括传感器电容、电缆电容和IC寄生电容。

现在假设您在单极性正模式下工作（图6），并尝试传输200V单极性突发。例如，如果CTOT = 400pF，则压摆率限制为：

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

因此，上升和下降时间大致由下式给出：

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

因此，200V幅度的最小脉冲宽度约为60ns。

当然，对于双极和单极负极应用，也可以进行类似的考虑。

如上所述，您可以通过并联更多通道来提高电流能力（IPEAK）。（请注意，IC寄生电容也会相应增加）。因此，可以提高工作频率。例如，使用图14所示的4A脉冲发生器，理论上（忽略IC寄生电容）对于200V输出摆幅，TRISE = TFALL = 15ns。

IPEAK = 4A，CTOT = 300pF，摆幅 = 200V →最小脉冲宽度 = 30ns

类似的考虑也适用于其他工作模式，例如双极性和单极负极。

审核编辑：郭婷