虽然在降低功率的时候往往会强调低电压，但设计者通常需要在相同的设计中加入低电压和高电压。这就提出了三个挑战:开发高电压直流轨;提供更高的电压模拟放大器/驱动程序功能;并满足更高电压系统的相关安全和监管要求。
低电压、次5伏操作的优点很多，包括低功耗、低功耗、高集成电路功能密度、延长运行时间和寿命。但是有许多应用需要更高的电压，达到几百伏特以上。诸如压电马达、触觉装置、打印头驱动、专用传感器和科学仪器等应用需要更高的电压，尽管通常是在温和的电流中，高达几百毫安(mA)。
结果是一个系统设计，将低电压电路与高得多的电压结合起来，使设计者处于管理相关挑战的位置。
这篇文章将结合理论与实际的解决方案范例，以如何产生更高的电压轨道和提供所需的模拟驱动，在结束之前讨论满足监管和安全要求。
提供高电压轨
为了提供高电压直流轨，设计者可以设计和开发高压电源，或者他们可以买一个。原则上，开发高压电源，特别是在较低的电流中，并不困难。有两种经典的方法:
如果只有一个低电压的直流电源，设计者可以实现一个基于启动模式的DC/DC开关调节器设计的电路。
如果有交流线路可用，则可以使用一个或多个电压倍增电路(图1)。
基本电压倍增电路示意图。
图1:一个基本的电压倍增电路使用二极管和电容器将120伏交流电(峰值电压为170 VAC)转换为直流电压的两倍于峰值电压。(图片来源:凯利讯半导体)
一个基本的倍频器将交流电的峰值转换为直流电压的两倍。倍频器所能提供的电流是电容器大小的函数，因此，更高的电流需要更高的电容。请注意，这些电容器需要特别的，高电压的单位，因为标准的低电压的单位将会失败，甚至可能爆炸。
虽然启动模式或电压倍增器方法都有作用，但它们都有相同的问题:它们处理高电压，这使得设计者在布局、电弧和用户安全和管理标准方面要小心谨慎。
由于这些原因,许多工程师喜欢使用商用高电压供应,如EMCO系列AG01P-5从XP(图2)。这个印刷电路板安装,小型单位的0.128英寸(3.25毫米(mm))和体积的0.100立方英寸(1639立方毫米)。该电源在0.7伏特和5伏特之间的直流电源上运行，但在10毫伏时提供100伏特的电压。作为一个附加的优点，它被电流隔离到500伏特，这是在许多情况下对适当的系统操作和用户/设备安全的要求。
EMCO系列AG01P-5 DC/DC变换器的XP电源。
图2:来自XP电源的微型EMCO系列AG01P-5 DC/DC转换器从0.7伏特到5伏特的直流电源，在10毫安时产生100伏特的直流电源;它还包括500伏特的隔离。(图片来源:凯利讯半导体)
对于需要更高电压或电流的应用，XP电源和其他供应商提供的基本单位可以提供数百甚至数千伏特的电压在数百的mA。有些是在直流轨道上运行，而许多是交流线路供电。通过使用可靠的供应商提供的标准、现成的高压电源，所有的技术性能和供应的监管问题都得到了有效的解决。因此，设计者可以把重点放在如何将高压输出从电源输送到电路中。
当然，有些情况下，设计的高电压电源是有意义的，或者是唯一的选择。示例包括在BOM中可能会有成本效益的高容量应用程序;如果标准电源不具备所需的电压/电流配对;具有独特空间约束的系统或需要具有不同形状因子的供应;或者OEM已经具备高电压供应设计和实施方面的专业知识。然而，对于大多数工程师来说，满足技术要求的组合，选择和采购不寻常的部件，以及管理管理问题使得高压电源设计成为一项艰巨的任务。
提供模拟驱动
一旦设置了电源轨道，下一个决定是如何提供负载所需的高压模拟放大。请注意，在某些情况下，只需要一个静态的直流电压和类似的电路要求，但不需要一个动态的，可控的，放大的信号在高压。对于这些情况，只需要一个供应(也许可以调整)就够了。
设计者可以选择三种方法来实现高电压的op amp功能。第一种方法是使用标准的低电压op放大器，但在输出中增加了助推器晶体管(图3)。这就产生了将低电压输出转换到更宽、更高的电压范围的效果。在这里，模拟设备LT1055精度，高速运行放大器作为放大器的核心，通过三对PNP/NPN晶体管，输出提升到一个双极的125伏特railto -rail跨度。
模拟装置图LT1055。
图3:生产高电压输出放大器输出的一种方法是向基本设备(如LT1055)增加互补的助推器晶体管，以利用op放大器的输入特性(图像源:模拟设备)。
这种方法是可行的，可以完成任务，但它需要大量额外的主动和被动的离散组件。此外，选择的NPN/PNP晶体管类型必须与增益、旋转和其他参数(取决于具体参数)相匹配，以确保双极操作的对称性。因此，对设计进行仔细的Spice或类似的建模是必要的，包括组件公差的影响。
第二种选择是使用一种用于高压操作的操作放大器。虽然这些通常不是由于半导体工艺限制而形成的整体部件，但它们被封装在一个小模块中，并作为单个组件“被丢弃”。这些设备通常与一个较小的，低电压的操作放大器一起使用，它主要作为一个信号缓冲器。
一个例子是来自Apex微技术的PB64双高压升压放大器。旨在提供电压和电流小信号增益,通用运算放大器(图4),这是设在12-pin SIP和电绝缘措施1.2英寸(31毫米)×0.8英寸(20 mm)×0.27英寸(7毫米),不包括通孔针。典型的应用包括科学仪器以及电力半导体和LED/LCD阵列的测试，
PB64高电压放大器的图像。
图4:虽然它不是一个单片集成电路，但是像Apex技术的PB64高压放大器这样的设备就像低压设备一样容易合并。(图片来源:凯利讯半导体)
PB64的最大输出电压是75伏特，所以它不像前面讨论的离散解决方案那么高，但是它有两个相对的好处。当使用缓冲区时，它只需要一些非关键的被动组件，它可以交付到2 a，这是一个相当大的功率(图5)。
Apex微技术高压PB64放大器的示意图。
图5:在大多数应用程序中，高电压PB64放大器使用标准的op放大器作为输入缓冲，以确保一致的输入信号场景和负载。(图片来源:凯利讯半导体)
在检查数据表时，寻找关键的静态和动态性能特征，如安全操作区域(SOA)和脉冲响应(图6)。
PB64高压放大器的脉冲响应图。
图6:PB64高压放大器的脉冲响应。(图片来源:凯利讯半导体)
当然，不同的高电压应用需要不同的电压和电流组合。对于像触觉压电换能器这样的应用来说，所需要的电压可能要比Apex的电压高，但是目前的要求要低得多。对于这些情况，一个集成电路建立在一个高压的过程中，但耗能更少的能力可能是一个可行的选择。
例如,由于综合提高转换器,德州仪器DRV8662压电触觉司机可以摇摆±200伏到100毫微法拉(nF)负载(电容性负载也会高但减少摇摆)只有3.0到3.0伏的电源(图7)。
来自德州仪器的DRV8662集成电路示意图。
图7:主要针对驱动压电致动器的利基应用触觉设计,DRV8662 IC的德州仪器公司提供高达±200 V个位数的电容性负载电压源使用其内部提高直流变换器。
该集成电路只需要几个外部的被动组件，支持4个GPIO控制的增益，28.8 dB, 34.8 dB, 38.4 dB，和40.7 dB。尽管它的额定电压为200伏特，但它被安置在一个4毫米的小尺寸，4毫米的QFN包中，使它非常适合便携式的应用，因为它的大小是一个因数，而可用的直流电压轨只有几伏特。在一个具有压电传感器作为驱动器的基本的触觉应用中，驱动信号可以由一个数字-模拟转换器(DAC)来设定，该转换器由一个处理器控制(图8)。
德州仪器仪表DRV8662基本模拟高压驱动器。
图8:除了作为基本的模拟高压驱动程序，DRV8662还包括四个用户选择的增益值来设置所需的输出范围。(图片来源:凯利讯半导体)
标准，监管规定:一个重大问题。
不像低电压设计，只有很少或没有工业和政府标准的用户和系统安全，高电压的世界被他们紧紧围绕。根据世界和终端应用的不同，具体的标准会有所不同，但一般来说，50 - 60伏特的设计几乎没有或没有限制(这就是为什么电话系统在仍然使用的48伏高铁上的原因之一)。许多标准设置组织包括UL、IRC和IPC。
然而，随着电压的升高，对设计的物理布置要求越来越严格，对设计的电气故障模式和机械结构的关注也成为主要问题。大多数的监管标准都集中在电压水平，而不是电流，因为电压是电路和用户的主要风险来源。它们紧密排列电气(电压)和机械设计的考虑。
这些安全标准集中在许多问题上，包括:
内部的安排是否允许弧或闪络，甚至可能的材料燃烧?
机械或包装的故障(应力裂纹，或撞击后的裂纹)会使使用者暴露于不安全的电势吗?
用户可以访问更高的内部电压吗?
标准定义了在不同电压水平下的“蠕变和间隙”的最小尺寸(图9)。漏电是指pc板上两个暴露的点沿板表面测量的间隔，而间隙指的是通过空气测量的两个导电部件之间的最短距离。随着电压的增加，最小距离也会增加。
在不同电压等级的“爬行和间隙”图像。
图9:蠕变和间隙是影响高压电路和系统布局和机械设计的主要因素;基本最小尺寸只是一个起点，是电压和其他因素的函数。(图片来源:凯利讯半导体)
然而，比起简单的“电压与距离”表，漏电和清除的最小值要多得多。“标准要求调整电路操作环境(灰尘、湿度和其他颗粒)、使用的材料和其他因素;它变得相当复杂和混乱，所以花时间研究标准和任何相关的指导方针。
不符合相关标准的设计，不接受关键认证。当然，在pc板上移动一个暴露的点或部分甚至一毫米来完成任务通常是困难的，而且可能会对设计产生不愉快的连锁反应。
因此，重要的是要有一个高电压标准的工作人员或使用顾问，他们可以评估和指导项目的早期阶段，以避免昂贵和耗时的电气和机械的重新设计和再测试。
做这个决定
决定使用哪一种方法来开发更高的电压——升压晶体管、混合模块或集成电路——是许多因素的作用。首先，选择的方法是否能够支持诸如电压、电流、转化率等顶级参数?第二，从电子的角度来看，团队在设计和获得高电压模拟放大器设计时的技巧是什么?第三，设计团队能否识别并理解相关的监管标准及其对设计的影响?
讨论的选项和解决方案可以提供更高的电压和电流的各种组合。然而，除了基本的电路设计之外，还有许多外部布局和放置问题必须在早期阶段解决。这些问题也会影响最终选择的高电压放大器方法。
结论
虽然在低电压下工作有许多优点，但通常需要将低电压和高压电路结合起来。如图所示，如果对产品的选择和实现进行仔细的关注，并遵循既定的标准，那么就可以成功和安全地完成这一工作。