Maxim满足工业超声应用的高压需求
目前可用的大多数超声传输ic旨在涵盖医疗应用，并不一定满足工业应用的需求。无损检测 （ndt）、流量计和声纳等工业应用通常对电压能力、电流能力和频率有不同的要求。maxim的高压（hv）产品具有极大的灵活性，可用于广泛的应用。本文介绍了max4940四通道高压数字脉冲发生器和max4968高压多路复用器（mux）的各种应用。
概述
max4940高压数字脉冲发生器
s1 和 s2 开关（分别连接到 vpp_ 和 vnn_）具有 200v 电压能力和 2a 电流能力。
s3开关（在数据手册中称为“箝位”）具有200v电压和1a电流能力。
数字脉冲发生器可在双极和单极应用中工作。换句话说，支持以下所有情况：
数字脉冲发生器可在双极和单极应用中工作。换句话说，支持以下所有情况：
［vpp， vnn］ = ［+100v， -100v］ 双极性
［vpp， vnn］ = ［0， -200v］ 单极负极
［vpp， vnn］ = ［+200v， 0］ 单极性正极
inp_和inn_分别控制 s1 和 s2。
inc_控制 s3（钳位），但它由 s1 和 s2 调节。在大多数应用中，不需要驱动inc_。您始终可以保持高位，只驾驶inp_和inc_。这样，s3 在每次 s1 和 s2 都关闭时都会激活。
图1.max4940功能框图（1个通道中的4个）。
inp_ 店_ clp_ 外_
x x x 高阻态
0 0 0 高阻态
0 0 1 接地
0 1 x vnn_
1 0 x v聚丙烯_
1 1 x 不允许
max4968高压模拟开关
图2所示为max4968的基本功能图，具有16个独立的高压模拟开关。每个开关的内部状态可通过spi进行编程™接口。在大多数超声应用中，高压模拟开关用于实现高压多路复用器。
sw1a、sw1b 可从 v 摆动nn到 vnn+ 200v。
高压模拟开关可在双极性和单极性应用中工作。输入/输出电压范围可以是以下情况之一：
（sw_） 范围 = [+100v， -100v] 双极性
（sw_） 范围 = [0， -200v] 单极负极
（sw_） 范围 = [+200v， 0] 单极性正极
vnn可以在0v至-200v范围内变化，具体取决于输入信号的幅度及其极性。vnn可与脉冲发生器（变送器）负电源共用。
v聚丙烯是低压电源（仅 10v）
等效 r上在整个输入范围内（约20ω）是平坦的，导通电容仅为16pf。
图2.max4968功能框图
支持的应用程序
maxim的高压脉冲发生器和开关的独特之处在于，它们可以在双极和单极应用中工作。（大多数工业超声应用都是单极的。maxim解决方案在减小尺寸和简化单极应用方面具有巨大优势。 下面显示了双极和单极应用的应用图和时间表。在某些情况下，可以省略外部草削波二极管。
双极应用
图3.max4940四通道、双极性数字脉冲发生器的典型应用电路
图4.max4940和max4968一起使用，大大简化了双极性应用中高压电源的设计。
笔记
为简单起见，仅连接两个通道，max4968配置为1：2 hv多路复用器。
仅需两个高压电源 （v聚丙烯， vnn).
max4940的裸焊盘（图4未显示）必须连接到vnn.
图5.在双极性负极应用中使用max4940和max4968进行脉冲和开关的信号时序图。
注意：clp_始终很高。每个通道只有两个控制信号，用于典型的三电平传输。
单极正应用
图6.max4940用于单极性正极性应用。
图7.在单极性应用中同时使用max4940和max4968可减少对高压电源的需求。
笔记
只需要一个高压电源。
请注意，cgn_ 可直接连接 cdn_ 以便每个通道移除一个电容器。
v电子电气不再需要max4940的电源电压（v电子电气引脚接地）。
电容容差为200v。
max4940的裸焊盘（未示出）可以接地。
图8.在单极性正极应用中使用max4940和max4968进行脉冲和开关的信号时序图。
单极负应用
图9.max4940在单极性应用中的应用
图 10.在单极性负极应用中同时使用max4968和max4940可减少高压电源的数量。
笔记
只需要一个高压电源。
max4940的裸焊盘（未示出）连接到vnn.
与单极负极相比，单极正极（图6和图7）配置略为可取（需要的外部元件更少，裸露焊盘连接到gnd平面以获得更好的热性能）。
图 11.在单极性负极应用中使用max4940和max4968进行脉冲和开关的信号时序图。
通过btl配置使电压驱动器能力翻倍
在工业应用中，通常需要以大于200v的电压驱动传感器。无损检测、流量计量或其他应用中使用的探头元件可能需要超过200v的脉冲才能获得更好的性能。
max4940可以在桥接负载（btl）配置下驱动传感器元件，使等效峰峰值激励信号加倍。需要使用两个max4940通道来驱动单个传感器元件。励磁电压可达400vp-p.
只要单晶探头的两个电极都可用，就可以进行btl配置。这不适用于大型换能器阵列，其中晶片通常共享通常连接到gnd的公共节点。
图 12 显示了典型的 btl 应用程序图。起点是单极性配置（在本例中为正）。但是，传感器负载现在连接在out1_和out2_之间。图13显示了一个典型的驱动方案。因此，激励信号的幅度可以达到2 x v聚丙烯，即 400vp-p.
图 12.采用max4940的典型桥接负载（btl）配置。
图 13.btl配置中典型驱动方案的时序图。
通过并行化提高当前驱动器能力
在工业应用中，有时需要大于2a的电流驱动能力。这种高能力可用于驱动高容性负载（以nf量级为单位）或以高频率（例如，高达30mhz至40mhz）工作。max4940通道可以并联以增加电流能力（2通道= 4a，3通道= 6a等）。
例如，图14显示了一个正单极性4a数字脉冲发生器，使用2个通道并联来驱动单个元件。虽然图中显示了max4940，但max4968也可以考虑类似的因素。相关方法也可用于双极和单极负性应用。通道可以并联，以降低导通电阻并提高驱动能力。
图 14.4a正单极脉冲发生器应用示意图。
使用 btl 配置时，也可以并行化通道。换言之，max4940可用于驱动高达400v的单个元件p-p具有 4a 电流能力（图 15）。
图 15.max4940在btl应用中驱动4a的应用图
低频和高频操作
上面讨论的应用程序关系图涵盖了大多数应用程序。但是，在某些情况下使用低频信号（ 20mhz）工作，通常是为了提高无损检测应用中的轴向分辨率或传输pwm调制信号。以下各节说明了这两种类型的应用程序。
低频 （ 20mhz）
max4940的驱动电路可以工作在高频（产生短脉冲），如40mhz。然而，实际限制通常是由于有限的驱动电流能力。
在一阶近似中，负载可以被认为是纯电容（cload）。您可以达到的最大压摆率与脉冲发生器可以提供的峰值电流（ipeak）有关。在公式中，
slew_rate = （δv/δt）max = ipeak/ctot
其中ctot是总负载电容，包括传感器电容、电缆电容和ic寄生电容。
现在假设您在单极性正模式下工作（图6），并尝试传输200v单极性突发。例如，如果ctot = 400pf，则压摆率限制为：
（δv/δt）max = ipeak/ctot = 2a/300pf = 6.66v/ns
因此，上升和下降时间大致由下式给出：
trise = tfall ≈ 200v/（6.66v/ns） = 30ns
因此，200v幅度的最小脉冲宽度约为60ns。
当然，对于双极和单极负极应用，也可以进行类似的考虑。
如上所述，您可以通过并联更多通道来提高电流能力（ipeak）。（请注意，ic寄生电容也会相应增加）。因此，可以提高工作频率。例如，使用图14所示的4a脉冲发生器，理论上（忽略ic寄生电容）对于200v输出摆幅，trise = tfall = 15ns。
ipeak = 4a，ctot = 300pf，摆幅 = 200v →最小脉冲宽度 = 30ns
类似的考虑也适用于其他工作模式，例如双极性和单极负极。
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概述
max4940高压数字脉冲发生器
s1 和 s2 开关（分别连接到 vpp_ 和 vnn_）具有 200v 电压能力和 2a 电流能力。
s3开关（在数据手册中称为“箝位”）具有200v电压和1a电流能力。
数字脉冲发生器可在双极和单极应用中工作。换句话说，支持以下所有情况：
数字脉冲发生器可在双极和单极应用中工作。换句话说，支持以下所有情况：
［vpp， vnn］ = ［+100v， -100v］ 双极性
［vpp， vnn］ = ［0， -200v］ 单极负极
［vpp， vnn］ = ［+200v， 0］ 单极性正极
inp_和inn_分别控制 s1 和 s2。
inc_控制 s3（钳位），但它由 s1 和 s2 调节。在大多数应用中，不需要驱动inc_。您始终可以保持高位，只驾驶inp_和inc_。这样，s3 在每次 s1 和 s2 都关闭时都会激活。
图1.max4940功能框图（1个通道中的4个）。
inp_ 店_ clp_ 外_
x x x 高阻态
0 0 0 高阻态
0 0 1 接地
0 1 x vnn_
1 0 x v聚丙烯_
1 1 x 不允许
max4968高压模拟开关
图2所示为max4968的基本功能图，具有16个独立的高压模拟开关。每个开关的内部状态可通过spi进行编程™接口。在大多数超声应用中，高压模拟开关用于实现高压多路复用器。
sw1a、sw1b 可从 v 摆动nn到 vnn+ 200v。
高压模拟开关可在双极性和单极性应用中工作。输入/输出电压范围可以是以下情况之一：
（sw_） 范围 = [+100v， -100v] 双极性
（sw_） 范围 = [0， -200v] 单极负极
（sw_） 范围 = [+200v， 0] 单极性正极
vnn可以在0v至-200v范围内变化，具体取决于输入信号的幅度及其极性。vnn可与脉冲发生器（变送器）负电源共用。
v聚丙烯是低压电源（仅 10v）
等效 r上在整个输入范围内（约20ω）是平坦的，导通电容仅为16pf。
图2.max4968功能框图
支持的应用程序
maxim的高压脉冲发生器和开关的独特之处在于，它们可以在双极和单极应用中工作。（大多数工业超声应用都是单极的。maxim解决方案在减小尺寸和简化单极应用方面具有巨大优势。 下面显示了双极和单极应用的应用图和时间表。在某些情况下，可以省略外部草削波二极管。
双极应用
图3.max4940四通道、双极性数字脉冲发生器的典型应用电路
图4.max4940和max4968一起使用，大大简化了双极性应用中高压电源的设计。
笔记
为简单起见，仅连接两个通道，max4968配置为1：2 hv多路复用器。
仅需两个高压电源 （v聚丙烯， vnn).
max4940的裸焊盘（图4未显示）必须连接到vnn.
图5.在双极性负极应用中使用max4940和max4968进行脉冲和开关的信号时序图。
注意：clp_始终很高。每个通道只有两个控制信号，用于典型的三电平传输。
单极正应用
图6.max4940用于单极性正极性应用。
图7.在单极性应用中同时使用max4940和max4968可减少对高压电源的需求。
笔记
只需要一个高压电源。
请注意，cgn_ 可直接连接 cdn_ 以便每个通道移除一个电容器。
v电子电气不再需要max4940的电源电压（v电子电气引脚接地）。
电容容差为200v。
max4940的裸焊盘（未示出）可以接地。
图8.在单极性正极应用中使用max4940和max4968进行脉冲和开关的信号时序图。
单极负应用
图9.max4940在单极性应用中的应用
图 10.在单极性负极应用中同时使用max4968和max4940可减少高压电源的数量。
笔记
只需要一个高压电源。
max4940的裸焊盘（未示出）连接到vnn.
与单极负极相比，单极正极（图6和图7）配置略为可取（需要的外部元件更少，裸露焊盘连接到gnd平面以获得更好的热性能）。
图 11.在单极性负极应用中使用max4940和max4968进行脉冲和开关的信号时序图。
通过btl配置使电压驱动器能力翻倍
在工业应用中，通常需要以大于200v的电压驱动传感器。无损检测、流量计量或其他应用中使用的探头元件可能需要超过200v的脉冲才能获得更好的性能。
max4940可以在桥接负载（btl）配置下驱动传感器元件，使等效峰峰值激励信号加倍。需要使用两个max4940通道来驱动单个传感器元件。励磁电压可达400vp-p.
只要单晶探头的两个电极都可用，就可以进行btl配置。这不适用于大型换能器阵列，其中晶片通常共享通常连接到gnd的公共节点。
图 12 显示了典型的 btl 应用程序图。起点是单极性配置（在本例中为正）。但是，传感器负载现在连接在out1_和out2_之间。图13显示了一个典型的驱动方案。因此，激励信号的幅度可以达到2 x v聚丙烯，即 400vp-p.
图 12.采用max4940的典型桥接负载（btl）配置。
图 13.btl配置中典型驱动方案的时序图。
通过并行化提高当前驱动器能力
在工业应用中，有时需要大于2a的电流驱动能力。这种高能力可用于驱动高容性负载（以nf量级为单位）或以高频率（例如，高达30mhz至40mhz）工作。max4940通道可以并联以增加电流能力（2通道= 4a，3通道= 6a等）。
例如，图14显示了一个正单极性4a数字脉冲发生器，使用2个通道并联来驱动单个元件。虽然图中显示了max4940，但max4968也可以考虑类似的因素。相关方法也可用于双极和单极负性应用。通道可以并联，以降低导通电阻并提高驱动能力。
图 14.4a正单极脉冲发生器应用示意图。
使用 btl 配置时，也可以并行化通道。换言之，max4940可用于驱动高达400v的单个元件p-p具有 4a 电流能力（图 15）。
图 15.max4940在btl应用中驱动4a的应用图
低频和高频操作
上面讨论的应用程序关系图涵盖了大多数应用程序。但是，在某些情况下使用低频信号（ 20mhz）工作，通常是为了提高无损检测应用中的轴向分辨率或传输pwm调制信号。以下各节说明了这两种类型的应用程序。
低频 （ 20mhz）
max4940的驱动电路可以工作在高频（产生短脉冲），如40mhz。然而，实际限制通常是由于有限的驱动电流能力。
在一阶近似中，负载可以被认为是纯电容（cload）。您可以达到的最大压摆率与脉冲发生器可以提供的峰值电流（ipeak）有关。在公式中，
slew_rate = （δv/δt）max = ipeak/ctot
其中ctot是总负载电容，包括传感器电容、电缆电容和ic寄生电容。
现在假设您在单极性正模式下工作（图6），并尝试传输200v单极性突发。例如，如果ctot = 400pf，则压摆率限制为：
（δv/δt）max = ipeak/ctot = 2a/300pf = 6.66v/ns
因此，上升和下降时间大致由下式给出：
trise = tfall ≈ 200v/（6.66v/ns） = 30ns
因此，200v幅度的最小脉冲宽度约为60ns。
当然，对于双极和单极负极应用，也可以进行类似的考虑。
如上所述，您可以通过并联更多通道来提高电流能力（ipeak）。（请注意，ic寄生电容也会相应增加）。因此，可以提高工作频率。例如，使用图14所示的4a脉冲发生器，理论上（忽略ic寄生电容）对于200v输出摆幅，trise = tfall = 15ns。
ipeak = 4a，ctot = 300pf，摆幅 = 200v →最小脉冲宽度 = 30ns
类似的考虑也适用于其他工作模式，例如双极性和单极负极。
【技术分享】不懂CAN协议？如何避免总线仲裁失败？
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