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適切な高電圧オペアンプによる高電圧の効果的で安全な制御と増幅

著者 Bill Schweber 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 提供
2019-04-30
マルツ掲載日:2019-07-29


 多くのアプリケーションで、入力信号の性質や出力負荷特性のために、高電圧(60V~100V)で動作可能なオペアンプが必要な場合があります。たとえば、インクジェット/3Dプリンタをはじめとして、超音波トランスデューサなどの医療機器に使用されるピエゾドライバ、ATEドライバ、電界源などのアプリケーションです。

 これらは標準的なオペアンプではありません。なぜなら、これらのオペアンプは非抵抗性(誘導性、容量性)の負荷がかかってもスルーレート要件を満たす必要があり、厳密に安定化された電源が必要で、さらに電圧が60Vを超えた途端に設計者は厳格で要件の厳しい規制を突き付けられるからです。アプリケーションによっては、高電流が発生し熱管理の問題が生じる可能性もあります。

 これらの問題に対処するために、特別なプロセスに基づく標準的なモノリシックおよびハイブリッドの高電圧オペアンプが提供されています。しかし、システムの設計目標を矛盾なく確実に達成するためには、それらの選択、デザインイン、およびレイアウトには特別な配慮が必要になります。

 この記事では、より高電圧のオペアンプ(100V超)をそのユニークな(そして意外な)共通のアプリケーションで使用する方法を取り上げ、それらを正しく適用する方法について説明します。

高電圧が必要な理由
 
 高電圧オペアンプの代表的なアプリケーションは数多くあり、種類も多彩です。それらの大半は、より電圧の低い入力信号の電圧を高めるように機能するため、高電圧と正確な制御の両方が必要になります。多くの場合、それらは高電圧信号のオン/オフではないため、よりシンプルな高電圧スイッチング機能ではなくリニアアンプが必要になります。バイポーラ出力を必要とすることが多いこれらのアプリケーションには、以下があります。

・インクジェットプリンタ、超音波トランスデューサおよび高精度絞り弁に使われるピエゾドライバ
・他のIC、ハイブリッドデバイス、モジュールの完全な働きを試す自動テスト機器(ATE)ドライバ
・ガイガーカウンタなどの科学用計測器
・自動車用の光検出および測距(LiDAR)画像処理システムの高輝度レーザダイオード
・流体の生体医学試験でよく使われる電場の生成

 これらのシステムの一部または多くは、より高い電圧で動作しますが、電流は低めから適度なレベル(10~100mA)なので、通常の意味での「高電力」ではありません。そのため設計では、発生する熱の管理よりも、必要な電圧の制御と供給が重視されます。

 たとえば、100Vを100mAで負荷に供給するオペアンプでは、電源から10W相当が必要になります(加えて内部損失に対応する電力、通常は20%~30%)。これは「マイクロパワー」のシナリオとは言えませんが、必ずしも熱的に難しいシナリオとも限りません。なぜなら10Wの大半が負荷に回されるため、電子部品によって電力消費されるわけではないからです。それでも、熱放散は設計作業で常に考慮すべきものです。

 設計者が直面する、オペアンプによる高電圧増幅と密接に関係している広範な課題を以下に示します。

・適切なオペアンプの選択と適用
・オペアンプ用のDC高電圧レールの提供。場合により、負荷の電源と同じ
・高電圧の安全性を確保し、レイアウトと施工の規制要件を満たすこと
・オペアンプの選択と適用

 高電圧オペアンプは、従来のアンプとは異なります。一般に、アンプは電圧と電流の組み合わせによって、通常は抵抗性負荷に電力ゲインをもたらします。対照的に、オペアンプは電圧を高めるとともに、指定された上限までの電流を負荷に供給するように構成されています。さらに、オペアンプは固定または調整可能なゲインに合わせて構成できます。

 また、「シンプルな」電圧ゲインブロックでの使用の他にもさまざまなトポロジで使用できます。従来、オペアンプのような線形関数に使用されるほとんどのICプロセスは最大約50Vに制限されていました。より高電圧のオペアンプを作成するために、設計者は電圧ブースターとして機能する外付けのディスクリート高電圧トランジスタを出力に追加していました。

 コンプリメンタリブースタートランジスタを含む回路に、Analog DevicesのLT1055高精度JFETオペアンプを使用して±120Vを供給する方法を示します(図1)。


図1:より高電圧のオペアンプ出力を生成する方法の1つは、コンプリメンタリブースタートランジスタをAnalog DevicesのLT1055などの基本デバイスに追加してオペアンプの入力特性を活用することです。この設計では±120Vの出力を得ます。(画像提供:Analog Devices)

 この方法は機能しますが、IC単独の場合と比較してより複雑で高コストなBOMが必要になり、さらにレイアウトの問題を避けられないという短所があります。さらに、ゼロクロス点での歪みを最小限に抑えながら、正と負の出力振幅の間で対称的な性能を達成、維持することも難しくなります。これらの問題は、通常、部品の不一致(主にNPNとPNPトランジスタ)、および物理レイアウトの不均衡が原因です。

 高電圧オペアンプの選択は、パラメータの評価から始まります。それらのパラメータは他のオペアンプと同様ですが、もちろん具体的な数値は異なります。高電圧オペアンプは種類が比較的少ないので、そのプロセスはある意味シンプルです。設計で考慮すべき点には主に次の3つがあります。

1.最も重要な要素は、出力電圧、出力電流、帯域幅、スルーレート、およびユニポーラ/バイポーラの性能比です。
2.他の考慮点には、スルーレートや負荷タイプの制限と、温度関連のドリフト誤差があり、これは出力波形に現れます。
3.そして、熱過負荷、過電流に対する保護の問題、およびあらゆるアンプに影響するその他の問題があります。

制限の克服

 設計者は、利用可能な高電圧オペアンプの中で、最も重要な必須基準を満たすだけでなく、要件を満たすために十分な低誤差の仕様を備え、さらに十分な保護機能を内蔵しているか、または電流制限など外部の保護機能に適合できるのはどの製品かを評価する必要があります。ほぼすべての要件を満たすようにデバイスの性能を適応させるには、適切な判断が必要です。

 たとえば、入手可能なオペアンプの中で「ベストな」製品であっても、容量性負荷の駆動時の不安定性、十分な出力電流能力、または温度関連の過度なドリフトなど、どれか1つの要素が不十分な場合もあります。設計者は、異なる欠点を持つ異なるオペアンプを比較して決めるか、またはベストな製品を選択してその性能を拡張するかを決める必要があります。

 このような難しい判断の例をいくつかご紹介します。

容量性負荷:Analog DevicesのADHV4702-1は、高電圧の精密オペアンプです(図2)。このデバイスは、±110Vのデュアル対称電源、非対称電源、または+220Vの単一電源で動作し、最大20mAで±12V~±110Vを出力できます。

 その170dBのオープンループゲイン(AOL)は、この高性能なデバイスの重要な要素です。適度な容量性負荷は容易に駆動できますが、その負荷が大きくなると伝達関数の極がシフトし、出力ピーキングと位相マージンの縮小による不安定性を引き起こす原因になります。このオペアンプの設計者は、この問題に対する解決策を考え出しました。出力とCLoadピンの間に直列抵抗器を追加することで、デバイスは1μFを超える負荷を駆動できます(図2)。


図2:直列抵抗器(RS)をアンプ出力とCLOADの間に設置することで、ADHV4702-1は1μFを超える容量性負荷を駆動できます。(画像提供:Analog Devices)

 ただし、この抵抗器を追加すると、ある程度の負荷ピーキング発生の原因になる場合があります(図3)。


図3図2の回路における最大2dBピーキングのRSとCLOADの関係のグラフ。ユニティゲイン、電源電圧±110V、VOUT=100Vp-p時。(画像提供:Analog Devices)

 2dBでもアプリケーションにとって過度の負荷ピーキングになる場合、ADHV4702-1は、補償ピンとグランドの間に配置するコンデンサによる外部補償をサポートします。抵抗器とコンデンサを適切に選択することで、全帯域幅でほぼフラットな応答の容量性負荷の安定性を確保できます(図4)。


図4:ADHV4702-1の小信号周波数応答と外部補償の関係のグラフ。ユニティゲイン、±110V電源、VOUT=100Vp-p、Rf=0Ω、CCOMP=5.6pF時。(画像提供:Analog Devices)

さらなる出力電流駆動:Texas InstrumentsのOPA454AIDDARオペアンプは、10V~100Vの単一電源によってそれぞれ±5V~±50Vを出力します。出力電圧定格はADHV4702-1の半分(200Vに対して100V)ですが、2倍を超える電流駆動(20mAに対して50mA)があります。ただし、このソース/シンク電流の増加は、一部の負荷、特にその負荷がいくつかのより小さな負荷を並列に含んでいる場合、十分ではないことがあります。

 OPA454がこの問題に対処するには、2つのオプションがあります。1つは、2つ(以上)のOPA454AIDDARを並列に接続する方法です(図5)。


図5:OPA454AIDDARオペアンプを2つ並列に配置すると、その出力電流能力が直線的に高まります。(画像提供:Texas Instruments)

 アンプA1はマスターアンプとして機能し、基本のゲインユニットとしてだけでなく、あらゆるオペアンプ構成に合わせて設定できます。アンプA2は1つまたは複数の場合があり、スレーブとして機能します。また、A1の出力を追跡しながら駆動電流を増加させるユニティゲインバッファとして構成されます。

 1つのアンプまたは複数のスレーブが供給できるよりも多くの電流を得る代替方法として、外付けの出力電流ブーストトランジスタを使用する方法があります(図6)。

図6:OPA454デバイスの並列配置に代わる方法として、外付けの出力トランジスタを使用します。これにより、さらに高出力の電流を得られます。ここでは、出力電流を1A以上にブーストします。(画像提供:Texas Instruments)

 表示されているトランジスタを使用して、この構成では1A以上を供給できます。ただし、追加のOPA454オペアンプを使用する場合とは異なり、相補型トランジスタのペアでは、歪みなしの性能と直線性が必要なレベルで得られない場合もあります。このような高出力の電流が必要で、トランジスタが望ましいソリューションであれば、合致する相補型PNP/NPNトランジスタのペアが必要になります。

温度係数(tempco)とドリフト:すべてのアナログ部品と同様に、温度係数は性能と精度に影響し、入力オフセット温度ドリフト(dVOS/dT)は増幅出力に含まれます。OPA454の場合、dVOS/dT仕様は、-40℃~+85℃の指定された周囲温度範囲において±1.6μV/℃(標準)および±10μV/℃(最大)で非常に低くなります。

 この数値が大きすぎる場合は、高電圧OPA454の前に「ゼロドリフト」オペアンプをプリアンプとして追加すると、ドリフトが全体的に減少します(図7)。Texas InstrumentsのOPA735をゼロドリフトプリアンプとして使用すると、高電圧アンプの温度係数ドリフトを、最初の段で0.05μV/℃(最大)のドリフトに維持でき、その減衰効果は200分の1に相当します。


図7:ほぼゼロドリフトのOPA735オペアンプをOPA454の入力パスに加えると、入力オフセット温度ドリフトが非常に低い2段、高電圧回路になります。(画像提供:Texas Instruments)

熱の問題と保護

 電流レベルが適度であっても、電力=電圧×電流の式に従えば、より高い電圧による内部の消費電力が問題になることも考えられます。熱的モデリングは不可欠であり、接合温度の基本的な式のTJ=TA+(PD×ΘJA)から始めます。ここで、TJは接合温度、TAは周囲温度、PDは消費電力、ΘJAは周囲に対するパッケージの熱抵抗です。パッケージの熱抵抗は、ヒートシンク、気流、およびプリント基板の銅など、実装技術と環境によって決まります。

 発生する熱の重要性と存在を意識して、OPA454やADHV4702-1などのICはサーマルシャットダウン回路を内蔵しています。たとえば、OPA454の回路では、デバイスの内部温度が150℃に達すると自動サーマルシャットダウンをトリガし、その場合出力が高インピーダンス状態になります。130℃に冷却されるまでサーマルシャットダウン状態が続き、130℃で電源が入ります。このヒステリシスは、サーマルリミットの周辺で出力発振のオン/オフを防ぎます。

 消費電力の制限は、単に静的出力電力に応じて変わるだけではなく、動作周波数とスルーレートの影響も受けます。これにより出力段の過熱につながる場合があります。このようなドライブでは、安全動作領域(SOA)グラフを調べることが重要です。まず始めに、ADHV4702-1の静的SOAを見てみます(図8)。


図8:安全動作領域(SOA)グラフを調べることが重要です。ADHV4702-1のDC SOAは、曲線の下、周囲温度25℃~85℃、20Vのゲインと±110V供給電圧の領域で表されています。(画像提供:Analog Devices)

 動的SOAも検討の対象です。ADHV4702-1は、スルーレートブースト回路を内蔵することで19MHzの小信号帯域幅と74V/μsのスルーレートを実現しますが、このブースト回路は信号に応じてより多くの電流を消費する場合があります。このため、外付けダイオードをADHV4702-1と併用し、差動入力電圧を制限できます(図9)。


図9:ADHV4702-1の入力に配置された外付けダイオードは、差動入力電圧を制限することで、デバイスをブースト回路の高電流による熱的影響から保護します。(画像提供:Analog Devices)

 これにより、動的に動作するアンプを保護しますが、スルーレートと広い信号帯域幅が制限されます。このためスルーブースト回路で生成される電流が制限され、内部消費電力が減少します(図10)。


図10:クランプダイオードあり/なしでの周囲温度25℃~85℃における動的SOA。条件は静的SOAと同じです。(画像提供:Analog Devices)

 SOAが広いと内部回路を制限しすぎるので、すべての高電圧ドライバが熱保護を備えるわけではありません。たとえば、Apex MicrotechnologyのPA52は高電圧、ハイパワーのアンプで、200Vのユニポーラまたはバイポーラ電圧振幅において50V/μsのスルーレートで最大40A(連続)/80A(ピーク)を供給できます。消費電力レベルが非常に高くなる可能性があるので、このデバイスのSOAグラフはDCモードとパルスモードの両方を含むシステム設計に欠かせない要素になります(図11)。


図11:Apex MicrotechnologyのPA52などの高電圧(±100V)、高電流(80A/40A)アンプのSOAは、定常状態またはパルスモードで動作するかに応じて広い範囲で変わります。(画像提供:Apex Microtechnology)

 PA52の場合、設計者は多くの場合、出力と負荷の間に外付けのハイサイド電流検出抵抗器を追加して、出力電流を測定し電力を評価しようと考えるでしょう。この抵抗器のサイズを決めるのは、常に高い抵抗値と低い抵抗値のトレードオフになります。抵抗値が大きいほど、信号が大きくなり信号対ノイズ比(SNR)が高くなります。また抵抗値が小さいほど、抵抗器自体の消費電力と得られる出力電力の減少の両方が最小化されます。

 抵抗値の選択は、まず始めに抵抗器の両端で発生する電圧が最大負荷電流で100mVになるように選ぶと良いでしょう。また検出回路には、高いコモンモード電圧(CMV)との互換性が必要です。多くの場合、検出回路の絶縁が必須です。その理由には、検出された信号の完全性、回路の他の部分の保護、ユーザーの安全性などがあります。

電源と規制の問題

 高電圧アンプでは、単に回路図やBOMを考えればよいわけではありません。なぜなら物理的レイアウトの具体的な中身が重要になるからです。約60Vを超える電圧で動作する回路には、実装上の安全性の問題と規格があります(実際の値は、エンドアプリケーションや国/地域によります)。

 このような高電圧の設計では、ユーザーは高い電圧をより低く安全な電圧からどのように分離するかを決める必要があります。その場合、バリア、インターロック、絶縁、またはスペーシングなど1つまたは複数の機械的な方法が考えられます。

 さらに、アーク放電やフラッシュオーバーの発生がないように、レイアウトは部品や回路基板トレースの最小沿面距離およびクリアランス寸法の規制要件を満たす必要があります。これらの寸法は、電圧と想定される動作環境(湿度や粉塵がある環境、または清浄な乾燥した環境)に応じて決まります。

 この分野の専門的なコンサルタントに相談するのも良いでしょう。なぜなら、規格は複雑で多くの繊細な内容を含んでおり、正式な承認プロセスには設計レイアウト、構造、材料、寸法の分析と、証明試験モデルの両方が必要になるからです。

 基本的には、低電圧から高電圧のAC/DCまたはDC/DC電源は簡潔で、全波整流器(AC用)と、ダイオードおよびコンデンサで構成された電圧増倍回路を使用して作成できます。ただし、高電圧電源の設計には多くの実用上の問題(たとえば、これらの受動デバイスの適切な電圧定格を確保するなど)があります。

 電源の配置も問題になります。低電圧電源(数十V以下程度)のみを含むアプリケーションでは、高電圧オペアンプ機能の近くにある遮断電圧マルチプライヤに低電圧ワイヤを通すのが妥当とも考えられます。しかし、低電圧での電流消費によって、それらのワイヤで電流抵抗(IR)がさらに低下しI^2Rの電力損失が生じることになり、分離のメリットが打ち消される可能性もあります。

 もう1つのオプションは、高電圧ワイヤを長い距離にわたり通すことです。これにより損失は減りますが、安全性および規制の制約が増します。

作成するか購入するかの判断

 配置方法を問わず、設計チームに知識と経験がない限り、通常は高電圧電源を設計、作成するよりも購入するのが妥当です。高電圧電源には多くの課題があり、認証を受けるのも困難です。電源は、単に入力電圧を受けてそれを目的の出力に変換するだけでなく、以下を満たす必要があります。

・正確で安定していること
・リップルと過渡性能の目標に合致すること
・各種の保護機能とシャットダウン機能を備えること
・EMI規格に適合すること
・場合によりガルバニック絶縁も必要

 入手できる高電圧電源には、低電流モデルから数A以上を供給できる製品まで各種あります。たとえば、XP PowerのEMCO高電圧部門が提供するFS02-15は、プリント基板に実装するタイプの絶縁型高電圧モジュールです(図12)。寸法は、長さ57mm×幅28.5mm×高さ12.7mm(2.25インチ×1.1インチ×0.5インチ)で、15VDC電源で動作し、50mAで200V(±100V)を供給します。このモジュールは、あらゆる性能および規制の要件に適合し、フル機能の電源が備える現在の標準的な機能をすべて備えています。


図12:12V電源レールから±100V(50mA時)を供給するXP PowerのFS02-15など市販の電源は、高電圧オペアンプへの絶縁型電力の安全な供給に関連する設計と規制の課題を解消します。(画像提供:XP Power)

結論

 高電圧オペアンプは、計測器、医療、物理、圧電トランスデューサ、レーザダイオードなど、多くの電子システムに必須の要素です。設計者は、その電圧に適合するオペアンプを採用することができますが、100V超で動作する際の性能、熱、規制、および安全性を考慮して、その特性と制限を良く理解する必要があります。


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