Maxim工业超声波应用的高电压需要

 

　　摘要：超声传输大多数集成电路旨在支付应用，不一定适合工业应用的需求 。工业应用，流量计，和声纳经常有电压能力，目前的能力，和频率的不同要求。由于其具有很大的灵活性，Maxim的高电压(HV)的产品，可用于广泛的应用范围。本文介绍了MAX4940四高压数字脉冲发生器和MAX4968高压多路复用器(MUX)的各种应用

　　目录

　　概述

　　MAX4940高压数字脉冲发生器

　　MAX4968高压模拟开关

　　支持的应用程序

　　双极

　　单极性正

　　单极性负

　　加倍的BTL配置的电压能力

　　增加电流能力与并行

　　低和高频率操作

　　低频运行(<1MHz的)

　　较高的工作频率(> 20MHz的)

　　概述

　　MAX4940高压数字脉冲发生器

　　图1显示的基本功能框图MAX4940，设备，具有4通道高电压(HV)数字脉冲。(只有1出4个通道显示在图中)。

　　S1和S2交换机(分别连接到V PP _和V NN _)功能的200V电压能力和2A电流能力 。

　　S3开关(称为“钳”在数据表)功能，200V电压和1A电流的能力。

　　数字脉冲发生器可以工作在双极型和单极化的应用。换句话说，在下列情况下都支持：

　　[V PP，V NN ] = [100 V，- 100V双极

　　[V PP，V NN ] = [0，- 200V]单极负

　　[V PP，V NN ] = [200伏，0]单极积极

　　INP_ INN_控制S1和S2分别。

　　INC_控制S3(钳)，但它是由S1和S2空调。在大多数应用中，INC_不需要驱动。您可以始终保持高的驱动器INP_和INC_只。这样做，S3是激活每次S1和S2都熄灭。

　　

 

　　图1。MAX4940的功能框图(4通道1)。

　　表1。MAX4940真相表

　　MAX4968高压模拟开关

　　图2显示的基本功能框图MAX4968，它具有16个独立的高压模拟开关。带有SPI™接口，每个开关的内部状态可以被编程 。在大多数超声应用，高压模拟开关用于实现高压复用器。

　　SW1A，SW1B从V 神经网络可以摆动至V NN + 200V 。

　　高压模拟开关，可以工作在双极型和单极应用。输入/输出电压范围可有下列情形之一：

　　(SW_)范围= [+100 V - 100V]双极

　　(SW_)范围= [0 - 200V]单极负

　　(SW_)范围= 200 V，0]单极性正

　　V 神经网络可以从0V到200V，根据输入信号的幅度和极性。V神经网络共享可与脉冲发生器( 发射机)负电源 。

　　V PP是一种低电源电压(10V只)

　　同等R ON是平坦的，在整个输入范围内(约20Ω)和电容是16PF只 。

　　

 

　　图2。MAX4968的功能框图。

　　支持的应用程序

　　Maxim的高压脉冲发生器和开关是独一无二的，因为它们可以工作在双极型和单极化的应用。(大多数工业超声波应用是单极的。)Maxim的解决方案提供了一个很大的好处，无论是在单极化应用系统的尺寸缩小和简化方面。应用图和时间图如下所示为双极型和单极化应用。外部草削波二极管可以在一些省略的个案。

　　双极应用

　　

 

　　图3。MAX4940四的典型应用电路，双极数字

　　

 

　　脉冲图4 。使用MAX4940和MAX4968大大简化了设计，在双极应用中使用的高压电源。

　　为方便起见，只有两个通道连接和MAX4968配置为1:2高压MUX。

　　只需要两个高压电源(V PP，V NN)。

　　MAX4940的裸露焊盘(未在图4所示)必须连接到V NN。

　　

 

　　图5。信号脉冲和开关双极负应用中使用MAX4940和MAX4968的时序

　　图注：CLP_始终居高不下 。只有每个通道两个典型的3级传输控制信号。

　　单极性正应用

　　

 

　　图6。MAX4940在一个单极的积极应用

　　

 

　　。图7 。在单极应用中使用MAX4940和MAX4968可减少高压电源的需要。

　　只有一个高压电源是必需的。

　　公告彗星GN _可以直接连接到彗星的DN _使每一个通道的电容将被删除。

　　V EE的MAX4940的电源电压是不再需要( V EE引脚接地) 。

　　电容器的公差为200V。

　　MAX4940的裸露焊盘(未显示)，可以接地。

　　

 

　　图8。脉冲和开关单极积极应用中使用MAX4940和MAX4968的信号时序图。

　　单极性负应用

　　

 

　　图9。使用MAX4940在单极应用。

　　

 

　　图10。使用MAX4968和MAX4940的单极性负应用，减少所需的高压用品。

　　只需要一个高压电源。

　　MAX4940的裸露焊盘(未显示)是连接到V NN。

　　单极性正(图6和图 7)配置与单极负(需要更少的外部元件和更好的散热性能，裸露焊盘连接至GND平面)相比略有可取 。

　　

 

　　图11。脉冲和开关单极负应用中使用MAX4940和MAX4968的信号时序图。

　　电压驱动能力的BTL配置加倍

　　在工业应用中，往往需要驾驶超过200V的电压传感器。无损检测，流量计量，或其他应用程序使用的传感器元件，可以要求以获得更好的性能超过200V 的脉冲。MAX4940可以驱动一个桥接负载(BTL)配置的传感器元件，一个峰，相当于增加一倍非高峰期激励信号。需要使用两个MAX4940通道驱动一个单一的传感器元件。激励电压可高达400V 聚丙烯 的单个元素传感器的两个电极时，BTL配置是可能的。这并不适用于大型传感器阵列，其中的元素通常都有一个共同的节点正常连接到GND。，图12显示了一个典型的 BTL应用图。其出发点是单极的配置(在这个例子中的积极 )。然而，现在是连接传感器的负载之间OUT1_和OUT2_。图13显示一个典型的驾驶执照计划。因此，激励信号的幅度可以达到2 × V PP，即400V聚丙烯。图12 。一个典型的桥接负载(BTL)配置使用MAX4940 。图13 。BTL配置中的一个典型的驾驶执照计划的时序图。

　　

 

　　

 

　　增加与并行的电流驱动能力

　　在工业应用中，一个大于2A的电流驱动能力，有时是需要的。这种高能力，可用于驱动高容性负载的NF秩序或工作在高频率(例如，到30MHz至40MHz) 。MAX4940通道可以并行，以增加电流能力(2 = 4A通道，3通道= 6A，等上) ，例如，图 14显示了积极的单极4A数字脉冲发生器并联使用2个通道驱动一个单一的元素。虽然图展示MAX4940，类似的考虑，可以做到的MAX4968 。相关的方法也可以用于在双极型和单极负应用。通道可以被并行化以减少电阻和增加驱动能力。，如图14 。 这是一个4A积极的单极脉冲发生器中的应用框图。使用BTL配置时，也可以并行通道。换句话说，可以使用MAX4940驱动一个单一的元素高达400V 的PP具有4A电流能力(图15)。图15。应用图的BTL应用程序中的MAX4940驾驶4A。

　　

 

　　

 

　　低和高频率操作

　　上面所讨论的应用程序图覆盖大多数应用。不过，也有用于低频信号的情况下(<1MHz的)。，这是经常在声纳应用程序的情况下，其范围可以从10kHz 至200kHz。此外，在高频率(> 20MHz的)有时是必需的， 往往在无损检测应用，以改善轴向分辨率或PWM调制信号的传输。下面的部分说明了这两种类型的应用 。

　　低频(<1MHz的)

　　MAX4940可以工作在频率高于1MHz的低。这是足以取代电容器，具有更大的价值信号电容(3.3nF在上面的例子)。作为一个经验法则，可以考虑下列公式计算：

　　彗星信号 = 3.3nF/freq(兆赫)

　　例如，为100kHz的应用程序，建议值是33nF 。Contrastingly，MAX4968是基于一个 bootstrap 架构。它不能运行在频率低于100kHz。

　　高频(> 20MHz的)

　　MAX4940的驱动电路可以工作在高频率(产生短脉冲)，如40MHz的。然而，实际的限制，通常是由于驱动电流能力有限 。，负载在一阶近似，可以考虑纯容性 ( LOAD )。最大压摆率，就可以实现相关的峰值电流，脉冲发生器可以提供( PEAK) 。公式中，

　　SLEW_RATE =(ΔV/ΔT)MAX = / TOT

　　其中C TOT是总负载电容，包括传感器的电容，电缆电容，和IC寄生电容。 现在，假设你正在积极单极模式(图6)，并试图发送一个200V单极爆裂 。如果，例如C TOT = 400pF的，然后摆率是有限的：

　　(ΔV/ΔT)最大值= 峰值 / TOT = 2A/300pF = 6.66V/ns

　　，因此，上升和下降时间大约由：

　　T  = T  ≈200V /(6.66V/ns)=为30ns

　　因此200V幅度最小脉冲宽度约60ns的 过程中，类似的考虑可以为双极性和单极性负应用 。如上所述，您可以增加电流能力(我山顶，把更多的渠道并行 )。(注意：IC寄生电容也会相应增加) 。因此，它可以提高工作频率。举例来说，如图14所示的4A的脉冲发生器，你可以在理论上(忽略了IC的寄生电容) T崛起= T = 15ns的下降为200V的 输出摆幅。

　　= 4A，TOT = 300pF时能够摆动= 200V

　　

 

　　的最小脉冲宽度=为 30ns