如何制作电压可调的高压偏置模块？

许多仪器和检测设备如射线、超声、APD 等，在工作中都需要高压偏置电源。根据探测器的不同，需要的偏置电压有正有负，其电压从几十伏至数百伏，而驱动能力一般在几个 mA 到几十 mA。目前市场上广为采用的方法是以变压器形式作为升压电路，将电源升高至相应数值的高压，为相应的设备或者仪器提供偏置高压。

由于变压器是电路的核心器件，而变压器又是线圈及骨架的结构，其包括上千圈的线圈，体积较大且质量重，无法应用于体积较小的设备，如辐射剂量仪、便携式设备、可穿戴设备等。本文将为大家介绍使用 ADI 的 LT8331 器件，解决以上顾虑，方便快捷地实现高压偏置。 

高压偏置电路技术方案

高压偏置模块的升压部分采用 ADI 的 LT8331 芯片，该芯片特点如下：

可升压 / SEPIC / 负输出

4.5V 至 100V 输入电压范围，内部集成功率开关管 (0.5A、140V)

100kHz 至 500kHz 可编程的开关频率，可编程的欠压闭锁 (UVLO) 等

同系列产品 LT833X，LT836X 等，如下表 (表1) 所示。

表1 高压偏置内部开关选型简表

高压 ±120V 输出方案

为快速展示效果，本文基于 LT8331 芯片且使用 LTspice 仿真工具，设计一款输入电压 12V, ＋120V 或－120V 高压偏置电路。200K 开关频率、VIN = 12V、VOUT = 120V 升压转换电路，如下图 (图1) 所示：

图1 200K开关频率 VIN=12V/VOUT=120V 升压转换电路

200K 开关频率、VIN = 12V、VOUT = -120V 升压转换电路，如下图 (图2) 所示：

图2 200K开关频率 VIN=12V/VOUT=-120V 升压转换电路

LTspice 是一款由 ADI 推出的高性能 SPICE 仿真器软件，如需了解软件下载、入门指南、以及具体的设计仿真攻略等，请查阅《活学活用 LTspice 进行电路设计系列合集》。

实现电压动态调节技术

在实际运用中，高压偏置的器件如 APD 等热阻的原因，为保证仪器仪表的精度，需要高压偏置实现动态可调。如下图 (图3) 所示，V2 用于产生控制电压，运算放大器 LTC6084 用于提供增益。其中 V2 可以使用电位器或 DAC；V2 如为双极性时，对应运算放大器使用双极性供电。

图3 电压可调电路图

基尔霍夫电流/电压定律

以下介绍两种计算方法，KCL 法和 KVL 法，KCL 为基尔霍夫电流定律，KVL 为基尔霍夫电压定律。

基尔霍夫电流定律

计算方法 1：KCL 法，VFB 点电流流入流出相等。

A1 + A2 = A3 ---- ① 
A1 = (VDAC1-VFB) / R6 --- ②
A2 = (VOUT-VFB) / R1 --- ③
A3 = VFB / R5 --- ④
VDAC1 = VDAC = 2V --- ⑤
VFB = -0.8V --- ⑥ 

VFB 电压：＋输出时 VFB 为 1.6V ，－输出时 VFB 为 -0.8V，计算得 VOUT = 148.2V

基尔霍夫电压定律

计算方法 2：KVL 法，VOUT1 为 R1，R5 反馈回路，DAC 回路断开；VOUT2 为 DAC 与 R5 作用反馈回路，R5 断开，A1 = -A2。

VOUT = VOUT1 + VOUT2 --- ①
VOUT1 = VFB * (R1 + R5) / R5 ---- ② = -120.2V
VOUT2 / R1 = (VFB - VADC) / R6 ---③  *注 A1= -A2。
VOUT2 = (VFB - VADC) *R1 / R6 = -28V  

VOUT1 与 VOUT2 代入式 ①，得 VOUT = 148.2V。如下图 (图4) 所示，LTspice 仿真结果与计算相符。

图4 V2 设为 2V 功能仿真图

通过比较以上两种计算方法，可以看出第二种计算方法更容易发现，VOUT1 设定固定后，通过控制 V2 的电压实现电压调节，即在 VOUT1 上叠加 VOUT2。另外，高压偏置电路在实际运用中，根据探测器工作时长、发热导致内阻的变化、实时的调节电压，已达测试设备最佳的测试精度。 

电路设计注意事项

考虑驱动能力，输出功率 = 输入功率 X 转化效率。LT8331 为 0.5A 功率开关管，例如输入电压 24V，即输入功率为 12W，输出为 120V，效率为 70，那么输出驱动能力 7mA。 如需更高偏置电压，则输出端得增加多级倍压电路，如下图 (图5) 所示：

图5 六倍压电路

总结

本文介绍使用 ADI 的 LT8331 器件，它具有高压偏置，外围电路简单，使用灵活等优势，解决体积大、质量重、节约开发周期长等问题。

　　审核编辑：汤梓红