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威廉希尔官方网站 ，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。

由于变压器是威廉希尔官方网站 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。 

高压偏置威廉希尔官方网站 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 高压偏置威廉希尔官方网站 。200K 开关频率、VIN = 12V、VOUT = 120V 升压转换威廉希尔官方网站 ，如下图 (图1) 所示：

图1 200K开关频率 VIN=12V/VOUT=120V 升压转换威廉希尔官方网站

200K 开关频率、VIN = 12V、VOUT = -120V 升压转换威廉希尔官方网站 ，如下图 (图2) 所示：

图2 200K开关频率 VIN=12V/VOUT=-120V 升压转换威廉希尔官方网站

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 进行威廉希尔官方网站 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 电压可调威廉希尔官方网站 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，高压偏置威廉希尔官方网站 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。 

威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ，如下图 (图5) 所示：

图5 六倍压威廉希尔官方网站

总结

本文介绍使用 ADI 的 LT8331 器件，它具有高压偏置，外围威廉希尔官方网站 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