Microchip HV7351超声发射波束形成器评估板使用指南

一、前言

在超声设备的研发过程中，一款性能优良的评估板对于工程师们来说至关重要。Microchip的HV7351超声发射波束形成器评估板就是这样一款值得关注的产品。本文将结合Microchip官方提供的用户指南，为大家详细介绍这款评估板的相关信息。

文件下载：ADM00658.pdf

二、产品概述

2.1 HV7351器件概述

Microchip的HV7351是一款单片、八通道、高速、高压超声发射归零（RTZ）可编程脉冲发生器。它采用11 x 11 x 0.9 mm、80引脚的DFN封装。每个通道能够输出高达±70V的电压，并能以3A以上的电流进行有源放电回到0V，以实现快速的输出上升和下降时间。其数字波束形成拓扑结构显著减少了到发射器的I/O逻辑控制线路数量。每个输出由16或32位串行移位寄存器控制，可根据加载到移位寄存器中的内容生成任意模式，还提供了四个独立的模式选项。此外，每个输出都配备了可编程的10位延迟计数器，方便用户为每个通道编程不同的延迟时间以实现波束形成。

2.2 评估板概述

评估板上有两个内置的复杂可编程逻辑器件（CPLD）和一个串行EEPROM，可提供多种演示波形模式。用户还可以通过6引脚的联合测试行动组（JTAG）接口轻松将其他自定义实验数据下载到这些CPLD/PROM中。评估板的输出波形可以通过将示波器探头连接到测试点TX1 - TX8和GND直接显示。通过焊接跳线可以选择是否连接板上的假负载（一个330 pF电容与一个2.5 kΩ电阻并联），测试点也可用于连接用户的换能器，方便评估脉冲发生器。

2.3 评估板特点

• 丰富的编程模式：两个CPLD可用于编程各种数据模式。
• 操作便捷：通过按钮可以选择各种波形、传输频率、波形反转、模式（亮度或连续波模式）和启用状态，并且有LED指示灯指示按钮操作。
• 灵活的时钟源：能够绕过晶体振荡器，使用外部时钟源。
• 便于测试：有众多测试点，可用于探测各种输入和输出信号。

2.4 评估板套件内容

• HV7351超声发射波束形成器评估板（ADM00658）
• 重要信息表

三、安装与操作

3.1 准备工作

操作评估板需要额外的工具，包括一个能够提供3.3V、5V、 -5V、12V、 -12V、70V和 -70V的直流电源，以及一个示波器和/或万用表来观察波形和测量电气参数。

3.2 设置步骤

1. 电源连接：按照图2 - 1正确连接电源到评估板，注意各引脚的电压和电流要求。
2. 设置电源参数：在连接电源连接器J4之前，根据表2 - 1设置电源轨的电压和电流限制。
3. 连接示波器：将示波器的高阻抗探头连接到Tx输出。
4. 上电顺序：按照表2 - 2的上电顺序为电源上电。
5. 启用评估板：成功上电后，按下ENA按钮启用评估板。
6. 波形和频率调整：通过按下WAVE和FREQ按钮分别更改输出波形和传输频率。
7. 波形反转：按下INVERT按钮可以反转输出波形。
8. 模式切换：按下CW按钮可以切换传输模式，在连续波（CW）模式下，建议将 (V{PP}) 和 (V{NN}) 电压设置在±8V以内，以防止评估板过热。

3.3 评估方法

评估HV7351超声发射波束形成器评估板的最佳方法是使用数字电压表（DVM）测量电压和电流，并使用示波器探测电路板。

3.4 正常操作注意事项

• 评估板应使用具有限流功能的多个实验室直流电源供电。
• 为满足示波器高阻抗探头的典型负载条件，应通过焊接跳线将板上的假负载连接到高压脉冲发生器输出。若要评估不同的负载条件，可以在设备的电流和功率限制范围内更改RC的值。
• 为了驱动用户的压电换能器，应适当匹配输出负载阻抗，以避免电缆和换能器反射，建议使用70至75 kΩ的同轴电缆，并将电缆末端直接焊接到TX1 - TX8和GND上，且引线要尽可能短。如果使用用户自己的负载，应通过切断0kΩ电阻（R8、R12、R29、R30、R10、R37、R52和R53）与八个电阻焊盘之间的小短路铜迹线来断开板上的假负载。
• 所有板上测试点都设计用于与示波器的高阻抗探头配合使用，使用时要确保 (V{PP}) 和 (V{NN}) 电压不超过探头的限制，并且接地引线要短。

四、印刷电路板布局技术

4.1 热焊盘连接

HV7351封装底部的大散热焊盘内部连接到IC的衬底（ (V_{SUB}) ），在PCB上应将其外部连接到0V或GND。

4.2 高速布线

设计时需要注意输出TX1 - TX8的连接走线，特别是高压和高速走线，应采用与约50 MHz至100 MHz工作速度兼容的高速PCB走线设计方法，确保与接地平面的受控阻抗和足够的走线间距。

4.3 旁路电容

由于驱动容性负载时会产生高速和高瞬态电流，电源电压旁路电容应尽可能靠近引脚。GND引脚应具有低电感的穿通过孔连接，并直接焊接到实心接地平面上。每个 (V{LL})、 (AV{DD})、 (DV{DD})、 (PV{DD})、 (PV{ss})、 (V{PP})、 (V{NN})、 (V{PF})、 (V{NF}) 和 (V{RN}) 电压供应和旁路电容引脚都应配备陶瓷电容，并靠近引脚放置，其中只有 (V{PP}) 和 (V{NN}) 到GND的电容需要是高压类型， (V{PF}) 到 (V{PP}) 和 (V{NF}) 到 (V{NN}) 的电容可以是低压类型。

4.4 减少共振

应尽量减少到接地平面的走线长度，并在电源供应引线到电容之间插入铁氧体磁珠，以防止电源供应线路内的共振。对于对抖动和噪声敏感的应用，以及使用多个HV7351 IC时，应在每个芯片的供应线路之间插入另一个铁氧体磁珠。

4.5 降低电感

为了降低电感，应特别注意最小化走线长度并使用足够的走线宽度，建议使用表面贴装元件。由于HV7351高压功率级的输出阻抗非常低，在某些情况下，可能需要在输出TX1 - TX8上串联一个小值电阻，以在长电缆后获得更好的负载端子波形完整性，并降低容性负载端子的输出电压转换速率。

4.6 防止寄生耦合

要特别注意HV7351输出到输入信号端子的寄生耦合，这种反馈可能会导致振荡或信号过渡边缘出现杂散波形。由于输入信号低至3.3V，即使是小的耦合电压也可能导致问题，使用实心接地平面和良好的电源及信号布局实践可以防止这个问题。同时，应确保容性负载的循环接地返回电流不会与公共电感相互作用，在输入电路中产生噪声电压。

五、附录信息

5.1 原理图和布局

附录A提供了HV7351超声发射波束形成器评估板的原理图和布局图，包括板的原理图、顶层、顶层丝印层、中间层、底层、底层丝印层以及所有层和尺寸信息。

5.2 物料清单

附录B列出了评估板的物料清单，包括各种电容、电阻、LED、连接器、IC等元件的型号和数量。

5.3 典型波形

附录C展示了HV7351的典型波形，如八个通道的四个输出、不同频率和电压下的输出波形、归零（RTZ）输出波形、上升/下降时间等。

六、总结

Microchip的HV7351超声发射波束形成器评估板为超声设备的研发提供了一个强大而灵活的平台。通过合理的安装和操作，以及遵循正确的印刷电路板布局技术，工程师们可以充分发挥该评估板的性能，加速超声产品的开发进程。大家在使用过程中是否也遇到过类似评估板的一些独特问题呢？欢迎在评论区分享交流。