探索Microchip HV2903模拟开关评估板：设计、安装与应用全解析

在电子设计领域，高性能的模拟开关评估板对于工程师们来说至关重要。Microchip的HV2903模拟开关评估板就是这样一款值得深入研究的产品。今天，我们就来详细探讨一下这款评估板的特点、安装过程以及相关的设计要点。

文件下载：ADM00795.pdf

一、产品概述

1.1 整体功能

HV2903模拟开关评估板（ADM00795）与HV MUX控制器板（ADM00825）协同工作，提供32通道的高压（HV）模拟开关功能。它无需高压电源即可进行演示，涵盖基本的开关通断操作和2:1多路复用操作，还内置了两个MD1822和TC6320脉冲电路。

1.2 HV2903集成电路

HV2903是一款无高压偏置、低谐波失真、低电荷注入的32通道高压模拟开关。它专为需要由低压控制信号控制高压开关的应用而设计，如医疗超声成像、驱动压电换能器和打印机等。该器件具有典型的10Ω导通电阻，能在±100V下通过高达±3A的模拟脉冲信号，且仅需±6V或±5V进行开关通断操作，3.3V进行逻辑操作。它有两种工作模式：单独开关模式和组开关模式，用户可通过MODE引脚逻辑输入进行选择。此外，还有待机模式可降低空闲状态下的功耗。

1.3 评估板特点

• 高性能开关：配备一个HV2903无高压偏置、低谐波失真的32通道高压模拟开关。
• 协同工作：设计用于与Microchip HV MUX控制器板（ADM00825）配合使用。
• 脉冲输出：两个2:1多路复用器，内置MD1822和TC6320脉冲发生器，可输出5 MHz的3级电压脉冲波形。
• 负载配置：每个SW8A、SW9A、SW24A、SW25A都有板载330 pF//2.5 kΩ的虚拟负载。
• 控制方式：可通过PC GUI和控制器板进行模式选择和开关通断控制，以及脉冲发生器的通断和时域控制。

1.4 功能描述

评估板能够控制HV2903的操作以及内置的脉冲发生器，这些脉冲发生器连接到两个2:1多路复用开关进行演示。两个2:1多路复用器的四个开关输出端有SMA连接器，用户可以连接四个换能器元件。评估板使用两个高速20信号对承载能力的直角背板连接器，与Microchip HV MUX控制器板（ADM00825）作为控制信号源协同工作。HV MUX控制器板有一个FPGA用于生成脉冲波形和逻辑控制信号，以及一个USB桥接IC将控制板连接到PC。用户通过Microsoft Windows驱动和GUI可以控制HV2903设备和两个内置脉冲发生器。

1.5 评估板套件内容

评估板套件包含HV2903模拟开关评估板（ADM00795）和重要信息表。

二、安装与操作

2.1 准备工作

HV2903模拟开关评估板已完全组装和测试，需要+3.3V、+10V、±6.0V和±100V六个电源电压轨。操作还需要以下额外工具：

• 示波器：具有至少500 MHz带宽和两个高阻抗探头。注意要确保电源接地与测试示波器接地正确连接。
• Microchip HV MUX控制器（ADM00825）
• Windows 7 PC：安装并运行HV MUX控制器GUI软件，将J1和J2连接到HV MUX控制器，再通过USB将HV MUX控制器连接到PC。

2.2 HV MUX GUI安装

可以从Microchip网站（www.mircochip.com）下载HV MUX GUI软件安装程序。具体安装步骤如下：

1. 打开HVMUXGUI - v1.0.0 - windows - installer.exe。
2. 启动安装程序，在应用安装对话框中点击“Next”开始安装。
3. 阅读许可协议并接受，然后点击“Next”继续。
4. 在安装目录对话框中选择所需位置或使用默认位置，点击“Next”。
5. 确认安装路径后，点击“Next”开始安装。
6. 安装过程中会显示安装状态窗口，安装完成后点击“Next”。
7. 安装完成对话框出现后，点击“Finish”退出安装程序。

2.3 设置步骤

操作HV2903模拟开关评估板需要完成以下步骤：

1. 使用连接器J1和J2连接到HV MUX控制器（ADM00825）。
2. 连接J5、J6、J7和J11上的所有跳线，用于板载R - C负载。
3. 按照表2 - 1所示的极性，将所有电源连接到电压供应输入连接器J3和J4。注意要仔细观察每个电源轨的极性，并设置好电压和电流限制。
4. 用USB电缆将控制器板连接到PC。
5. 为控制器板提供+12V/1A电源并打开电源。
6. 先打开(V{SS})，再打开(V{DD})。
7. 打开(V_{LL})。
8. 打开(V{GP})和(V{PP} / V_{NN})。
9. 在PC上运行HV MUX GUI软件。
10. 点击GUI中的“Initialize HV MUX Controller”按钮，底部的状态窗口会显示“initialization complete”消息。
11. 取消选择(STBY)复选框，将HV2903设置为正常操作，并通过选择/取消选择MODE复选框选择开关模式。
12. 点击“Set HV MUX”按钮，所有数字控制信号将应用到HV MUX。
13. 设置脉冲发生器的脉冲数量和(T_{OFF})时间。
14. 选择CH1或CH2设置脉冲发生器通道1或通道2。
15. 点击“Start”按钮，所选脉冲发生器开始生成脉冲序列。
16. 点击“Stop”按钮，所选脉冲发生器停止生成脉冲序列。

2.4 接口连接

J2控制接口信号有多个引脚，每个引脚有不同的功能，如SCK为EEPROM串行时钟输入，CSB为EEPROM芯片选择输入等。所有未包含在表中的引脚为“no connect”。

2.5 测试评估板

2.5.1 单独开关模式操作

在单独开关模式下，用户可以通过USB连接的PC GUI软件程序单独打开/关闭32个开关。具体步骤为：

1. 点击左上角的“Initialize HV MUX Controller”按钮。
2. 取消选择(STBY)，将HV2903设置为正常操作。
3. 选择MODE，将HV2903设置为单独开关模式。
4. 在DIN中输入32位数据来设置开关的通断，数据‘1’表示开关打开，数据‘0’表示开关关闭。
5. 点击“Set HV MUX”按钮。
6. GUI和控制器板会生成32位数据和32个时钟，随后是一个(overline{LE})负脉冲，开关会根据GUI中的DIN数据进行通断操作。
7. 如果用户选择CLR并点击“Set HV MUX”按钮，所有开关将关闭。

2.5.2 组开关模式操作

在组开关模式下，用户可以通过USB连接的PC GUI软件程序一起打开/关闭所有偶数开关（SW0, SW2, ..., SW30）和所有奇数开关（SW1, SW3, ..., SW31）。具体步骤为：

1. 点击左上角的“Initialize HV MUX Controller”按钮。
2. 取消选择STBY，将HV MUX设置为正常操作。
3. 取消选择MODE，将HV2903设置为组开关模式。
4. 选择EN，将HV2903组开关设置为激活状态。如果不选择EN，所有开关将设置为关闭。
5. 选择(A/B)，设置所有偶数开关打开，所有奇数开关关闭；或者取消选择(A/B)，设置所有偶数开关关闭，所有奇数开关打开。
6. 点击“Set HV MUX”按钮。
7. GUI和HV MUX控制器会根据用户在GUI中设置的控制数据生成数字控制信号。

2.6 HV MUX控制器和GUI手册

2.6.1 设置步骤

在给HV2903模拟开关评估板和HV MUX控制器上电之前，要确保PC上安装了最新的GUI软件。启动GUI程序，状态栏左下角会显示“Not Connected”消息。连接适当的电源并打开HV MUX控制器的电源开关，FPGA_OK（LD1）和DC_IN（LD2）指示灯会亮起绿色，GUI状态栏左下角会显示“Connected”消息，此时HV MUX控制器即可控制HV2903评估板。

2.6.2 GUI描述

GUI界面上有多个功能项，如“Initialize HV MUX Controller”用于初始化FPGA和建立与HV MUX控制器的通信；STBY用于设置HV2903的待机模式；MODE用于选择工作模式；DIN用于输入32位数据控制开关通断；CLR用于清空所有开关；EN用于激活组开关模式；(A/B)用于控制偶数和奇数开关的通断；“Set HV MUX”用于将用户设置的数据应用到HV2903；“Pulses”和“(T_{OFF})”用于设置脉冲数量和脉冲序列之间的关断时间；CH1/CH2用于选择脉冲发生器通道；“Start”和“Stop”用于启动和停止脉冲发生器；“Message window”显示GUI程序的信息；“Clear”用于清除消息窗口中的消息；“Connection Status window”显示GUI与HV MUX控制器的连接状态。

2.7 脉冲发生器输出生成

要在HV MUX的SW8A SMA连接器处生成Ch1脉冲发生器输出，可以按照以下步骤操作：

1. 在给HV2903模拟开关评估板上电之前，确保PC上安装了最新的GUI软件。
2. 启动GUI程序，状态栏左下角会显示“Not Connected”消息。
3. 按照2.6.1节的“设置步骤”给HV MUX控制器和HV2903模拟开关评估板上电，状态栏会显示“Connected”消息。
4. 点击“Initialize HV MUX Controller”按钮，检查消息窗口是否显示“Initialization Complete”。
5. 取消勾选(STBY)，将HV2903设置为正常操作。
6. 勾选MODE，将HV2903设置为单独开关模式。
7. 将DIN的第8位从‘0’更改为‘1’，设置SW8打开（(DIN = 00000000 0000000000000001 00000000)）。
8. 点击“Set HV MUX”按钮，打开HV2903的SW8。
9. 将“Pulses”更改为10。
10. 勾选CH1。
11. 点击“Start”按钮，CH1脉冲发生器开始生成包含10个脉冲、(T_{OFF})时间为30 ms的脉冲序列。

三、PCB设计与布局注意事项

3.1 PCB布局技术

3.1.1 高压和高速接地及布局技术

HV2903 TFBGA封装底部的中心焊球内部连接到IC的基板（(V_{SUB})），这些焊球应在PCB上外部连接到GND。由于模拟开关要通过高压和高速信号，设计者需要注意连接走线，特别是要应用50Ω到接地平面的受控阻抗和更大的走线间距。HV2903模拟开关评估板的PCB布局采用了高速PCB走线设计方法。HV2903的内部电路可以在高频下运行，主要速度限制是负载电容。由于这种高速和驱动电容性负载产生的高瞬态电流，电源电压旁路电容应尽可能靠近引脚。所有GND引脚应有低电感的穿通孔连接，直接连接到PCB第二层的实心接地平面。建议尽量减少到接地平面的走线长度，并在电源引线到电容中插入铁氧体磁珠，以防止电源线路中的共振。要特别注意减少走线长度并使用足够的走线宽度以降低电感，强烈推荐使用表面贴装元件。使用实心接地平面以及良好的电源和信号布局方法可以防止任何可能的寄生电容耦合，用户还应确保电容性负载的循环接地返回电流不会与公共电感相互作用，在输入逻辑电路中产生噪声电压。

3.1.2 去耦电容选择

(V{LL})、(V{DD})和(V_{SS})电源电压轨需要提供快速瞬态电流，因此每个芯片引脚应配备低阻抗旁路电容。建议使用电容值为1.0到2.2 μF、具有适当电压额定值的表面贴装陶瓷电容。用户在选择这些旁路电容时，需要特别注意陶瓷电容的类型。低阻抗意味着在超声脉冲传输的频率带宽范围内具有低ESR/ESL阻抗，包括脉冲上升和下降沿的非常快的dV/dt。还建议选择具有低温系数和低电压系数的电容，如X7R和X5R类型或其他更先进的多层陶瓷类型。

四、附录信息

4.1 原理图和布局

附录A包含了HV2903模拟开关评估板（ADM00795）和HV MUX控制器板（ADM00825）的原理图和布局图，包括各个层面的铜层和丝印层等。

4.2 物料清单

附录B列出了HV2903模拟开关评估板和HV MUX控制器板的物料清单，包括每个元件的数量、参考编号、描述、制造商和零件编号等信息。

4.3 演示板波形

附录C展示了演示板的典型波形，如5 MHz、四个脉冲的Ch1脉冲发生器输入（所有开关关闭时），以及5 MHz、10个脉冲、(V{PP} / V{NN}= pm 100 V)、(V{DD} / V{SS}= pm 6 V)、(V_{Gp} = 10V)、330 pF//2.5 kΩ负载下的波形。

通过以上对Microchip HV2903模拟开关评估板的详细介绍，相信大家对这款评估板有了更深入的了解。在实际设计和应用中，工程师们可以根据这些信息进行合理的操作和优化，以充分发挥其性能。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。