将运算放大器轨的 5V/2A 提升至 +70/-70V?

电器工程 运算放大器 声音的 直流-直流转换器 促进 超声波
2022-02-03 11:39:44

我正在尝试为可穿戴研究项目驱动超声波“高音扬声器”。与普通扬声器相比,高音扬声器具有非常高的阻抗,高达 4kohm。因此,它需要非常高的电压才能产生可​​观的功率,但每个高音扬声器的 RMS 电流消耗最多只有几毫安。我一直在使用 LTC6090 运算放大器,它在电压轨上接受高达 +/-70V 的电压,并且在我感兴趣的频率下工作得非常好。

到目前为止,我一直在使用现成的 12V 稳压器和 LT1054 倍压器的组合来在轨道上产生 +/-22V,但如果可能的话,我想做得更好。那里似乎有很多选择,但这里有一些我正在考虑:

  1. 使用 LT8331 使用其数据表第 22 页上的应用笔记产生大约 135V 的电压,然后使用类似这种单极到双极 DC 转换器和一些重型 BJT 将其转换为 +/-65V。或者我可以将 0/135V 放在轨道上并使用分压器偏置 5V 信号?

  2. 在与所示配置相似的配置中使用 LM2587 反激式稳压器以产生 +/-70V。这个似乎可行,因为宣传的最大输出电压为 60V,但我不确定我是否可以简单地改变这里的组件值以产生更高的输出电压。

LM2587应用

  1. 使用 LT1054 将 +5V 转换为 +/-10V,然后使用两个独立的升压 IC 将其转换为 +/-70V。

对于其中一些,我可能需要分几个阶段进行提升;我有一个 5->35V 稳压器,可用作另一级的输入。这可能效率低下,但我的应用程序不是功率密集型的,需要很少的电流,并且主要是一个概念验证,所以这对我来说不是问题。

本质上,我想知道执行此操作的最佳方法。我不太可能是第一个遇到这个问题的人,我想尽量避免狭隘的视野或以可能低效、不可靠或危险的方式重新发明轮子。从高级设计建议到可能有用的特定组件或拓扑,我将不胜感激。

我是这个 stackexchange 的新手,所以请原谅缺少指向组件数据表的链接,我没有足够的代表来发布它们。

1个回答

我强烈建议不要尝试任何类型的音频输出变压器来提升运算放大器的输出,就像评论中建议的那样。不要误会我的意思,这是一种非常有效且经常使用的技术。实际上,它只是一种阻抗匹配,阻抗匹配变压器对此发挥了很好的作用,通过有效地提升输出波形,让低阻抗放大器驱动更高阻抗的音圈。

问题是这些在您的应用程序中根本不起作用,因为您不是在驱动音圈,而是在驱动压电超声换能器。

这是您应该注意的一个相当重要的区别,因为用于驱动传统扬声器的许多常规技术不适用于您的情况。音圈被电流偏转,它们的阻抗本质上是电阻性和电感性的。您的超声波换能器不是这些东西。它的阻抗完全是容性的并开路到直流。它是由极板之间的电荷差驱动的,而不是电流。如此有效,它直接被电压偏转。您实际上需要极性,通过变压器耦合它会导致您失去极性,因此您还必须使用同步整流级来恢复变压器输出的极性。如果驱动扬声器,这不是问题,但对于这种负载很重要。您需要通过直接拉出或拉入板电荷来驱动它,而您应该这样做的方式是您从一开始就计划这样做的方式。

不过,您有几个选择:

  1. 您可以使用具有宽电源轨的高压运算放大器,或者
  2. 使用低压运算放大器控制连接到高压轨的推挽输出级。

我认为 1 将具有最佳性能,并且更简单、更容易,特别是考虑到您将使用的信号的性质。芯片、咔嗒声和其他各种东西都需要被放大,并且(至少,我认为)失真最小。选项 2 仅在您需要只能从较低电压运算放大器中获得的性能时才适用,但由于有一个专门为您的应用(以及其他应用程序)设计的运算放大器,我们实际上只谈论可能 80kHz 的顶部,我看不出尝试选项 2 的理由。我建议选项 1。LTC6090 非常适合您需要使用它的确切用途。直到导热垫区域,一切都得到了考虑。

至于获取电源轨,LTC6090 的数据表实际上包含几个专门用于为其生成 ±65V 或 ±70V 电源轨的原理图。您可以使用或不使用它们,但拓扑是重点。在我看来,反激式转换器绝对是您最好的选择。对于升压转换器来说,5V 到 70V 的比率实在是太高了。135V 进一步推动了它——LTC8331 是很棒的部件,它可能可以从 5V 产生 135V,但它不会高效或漂亮。而且我不认为抽头电感器可用于制作虚拟接地。简单地使用带有两个输出绕组的反激式转换器会更简单、更便宜且更实用。

不要被反激转换器吓倒——它们只是反相降压升压转换器。我不骗你。看看电路。它们是相同的电路,相同的转换器,相同的东西。唯一的区别是反激式在其电感器的同一磁芯上具有两个或多个绕组。并且二极管可能是一种方式或另一种方式,具体取决于您想要的极性。老实说,我建议只使用 LTC6090 数据表中建议的 LTC3411。不过,您可能需要更多电流,这正是 LTC3412 的用途 - 它只是一个具有两倍电流能力的 LTC3411。不幸的是,您可能应该选择 Würth 变压器 Linear 在其数据表中建议的价格较高(单件 6 美元)的产品。反激式变压器实际上并不需要一个合适的变压器,只需要一个耦合电感器,但是很少有带有 3 个绕组的耦合电感器,我怀疑它们中的任何一个的额定电压为 100+V(你需要一些空间)。Würth 变压器体积小,表面贴装,每个次级绕组可安全承受 150V 电压。Würth 不会出错,但他们会让你为特权付出代价。

我知道您可能希望降低 BOM,但相信我,只需从 LTC3411/2 等转换器“复制和粘贴”应用原理图,就值得节省时间,而且不会带来麻烦和麻烦。Linear 的开关部件也是最好和最容易使用的(遗憾的是也是最昂贵的),我通常建议从线性部件开始。一旦您对开关转换器更有经验和习惯,TI 也很好,而且便宜得多,但通常不会那么容易使用。

你应该担心那些超声波唧唧声和鸣叫什么的,我认为这是一种情况,多付一点钱而不用处理电源是有意义的,这样你就可以处理你的事情了重新实际做。如果可以的话,只要抓住那个 Würth 变压器,按照LTC3412数据表第 22 页上的原理图进行操作,或者在第 10 页上有一个变压器及其潜在输出表。该电路可以在 5V 输入下正常工作,但输出功率会降低,您只需将 EVLO 分压器调整为 5V(或直接将其连接到 VIN)。