探索Microchip HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板：設(shè)計(jì)、安裝與應(yīng)用全解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高性能的模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板對(duì)于工程師們來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。Microchip的HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板就是這樣一款值得深入研究的產(chǎn)品。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下這款評(píng)估板的特點(diǎn)、安裝過(guò)程以及相關(guān)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：ADM00795.pdf

一、產(chǎn)品概述

1.1 整體功能

HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板（ADM00795）與HV MUX控制器板（ADM00825）協(xié)同工作，提供32通道的高壓（HV）模擬開(kāi)關(guān)功能。它無(wú)需高壓電源即可進(jìn)行演示，涵蓋基本的開(kāi)關(guān)通斷操作和2:1多路復(fù)用操作，還內(nèi)置了兩個(gè)MD1822和TC6320脈沖電路。

1.2 HV2903集成電路

HV2903是一款無(wú)高壓偏置、低諧波失真、低電荷注入的32通道高壓模擬開(kāi)關(guān)。它專(zhuān)為需要由低壓控制信號(hào)控制高壓開(kāi)關(guān)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，如醫(yī)療超聲成像、驅(qū)動(dòng)壓電換能器和打印機(jī)等。該器件具有典型的10Ω導(dǎo)通電阻，能在±100V下通過(guò)高達(dá)±3A的模擬脈沖信號(hào)，且僅需±6V或±5V進(jìn)行開(kāi)關(guān)通斷操作，3.3V進(jìn)行邏輯操作。它有兩種工作模式：?jiǎn)为?dú)開(kāi)關(guān)模式和組開(kāi)關(guān)模式，用戶(hù)可通過(guò)MODE引腳邏輯輸入進(jìn)行選擇。此外，還有待機(jī)模式可降低空閑狀態(tài)下的功耗。

1.3 評(píng)估板特點(diǎn)

• 高性能開(kāi)關(guān)：配備一個(gè)HV2903無(wú)高壓偏置、低諧波失真的32通道高壓模擬開(kāi)關(guān)。
• 協(xié)同工作：設(shè)計(jì)用于與Microchip HV MUX控制器板（ADM00825）配合使用。
• 脈沖輸出：兩個(gè)2:1多路復(fù)用器，內(nèi)置MD1822和TC6320脈沖發(fā)生器，可輸出5 MHz的3級(jí)電壓脈沖波形。
• 負(fù)載配置：每個(gè)SW8A、SW9A、SW24A、SW25A都有板載330 pF//2.5 kΩ的虛擬負(fù)載。
• 控制方式：可通過(guò)PC GUI和控制器板進(jìn)行模式選擇和開(kāi)關(guān)通斷控制，以及脈沖發(fā)生器的通斷和時(shí)域控制。

1.4 功能描述

評(píng)估板能夠控制HV2903的操作以及內(nèi)置的脈沖發(fā)生器，這些脈沖發(fā)生器連接到兩個(gè)2:1多路復(fù)用開(kāi)關(guān)進(jìn)行演示。兩個(gè)2:1多路復(fù)用器的四個(gè)開(kāi)關(guān)輸出端有SMA連接器，用戶(hù)可以連接四個(gè)換能器元件。評(píng)估板使用兩個(gè)高速20信號(hào)對(duì)承載能力的直角背板連接器，與Microchip HV MUX控制器板（ADM00825）作為控制信號(hào)源協(xié)同工作。HV MUX控制器板有一個(gè)FPGA用于生成脈沖波形和邏輯控制信號(hào)，以及一個(gè)USB橋接IC將控制板連接到PC。用戶(hù)通過(guò)Microsoft Windows驅(qū)動(dòng)和GUI可以控制HV2903設(shè)備和兩個(gè)內(nèi)置脈沖發(fā)生器。

1.5 評(píng)估板套件內(nèi)容

評(píng)估板套件包含HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板（ADM00795）和重要信息表。

二、安裝與操作

2.1 準(zhǔn)備工作

HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板已完全組裝和測(cè)試，需要+3.3V、+10V、±6.0V和±100V六個(gè)電源電壓軌。操作還需要以下額外工具：

• 示波器：具有至少500 MHz帶寬和兩個(gè)高阻抗探頭。注意要確保電源接地與測(cè)試示波器接地正確連接。
• Microchip HV MUX控制器（ADM00825）
• Windows 7 PC：安裝并運(yùn)行HV MUX控制器GUI軟件，將J1和J2連接到HV MUX控制器，再通過(guò)USB將HV MUX控制器連接到PC。

2.2 HV MUX GUI安裝

可以從Microchip網(wǎng)站（www.mircochip.com）下載HV MUX GUI軟件安裝程序。具體安裝步驟如下：

1. 打開(kāi)HVMUXGUI - v1.0.0 - windows - installer.exe。
2. 啟動(dòng)安裝程序，在應(yīng)用安裝對(duì)話框中點(diǎn)擊“Next”開(kāi)始安裝。
3. 閱讀許可協(xié)議并接受，然后點(diǎn)擊“Next”繼續(xù)。
4. 在安裝目錄對(duì)話框中選擇所需位置或使用默認(rèn)位置，點(diǎn)擊“Next”。
5. 確認(rèn)安裝路徑后，點(diǎn)擊“Next”開(kāi)始安裝。
6. 安裝過(guò)程中會(huì)顯示安裝狀態(tài)窗口，安裝完成后點(diǎn)擊“Next”。
7. 安裝完成對(duì)話框出現(xiàn)后，點(diǎn)擊“Finish”退出安裝程序。

2.3 設(shè)置步驟

操作HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板需要完成以下步驟：

1. 使用連接器J1和J2連接到HV MUX控制器（ADM00825）。
2. 連接J5、J6、J7和J11上的所有跳線，用于板載R - C負(fù)載。
3. 按照表2 - 1所示的極性，將所有電源連接到電壓供應(yīng)輸入連接器J3和J4。注意要仔細(xì)觀察每個(gè)電源軌的極性，并設(shè)置好電壓和電流限制。
4. 用USB電纜將控制器板連接到PC。
5. 為控制器板提供+12V/1A電源并打開(kāi)電源。
6. 先打開(kāi)(V{SS})，再打開(kāi)(V{DD})。
7. 打開(kāi)(V_{LL})。
8. 打開(kāi)(V{GP})和(V{PP} / V_{NN})。
9. 在PC上運(yùn)行HV MUX GUI軟件。
10. 點(diǎn)擊GUI中的“Initialize HV MUX Controller”按鈕，底部的狀態(tài)窗口會(huì)顯示“initialization complete”消息。
11. 取消選擇(STBY)復(fù)選框，將HV2903設(shè)置為正常操作，并通過(guò)選擇/取消選擇MODE復(fù)選框選擇開(kāi)關(guān)模式。
12. 點(diǎn)擊“Set HV MUX”按鈕，所有數(shù)字控制信號(hào)將應(yīng)用到HV MUX。
13. 設(shè)置脈沖發(fā)生器的脈沖數(shù)量和(T_{OFF})時(shí)間。
14. 選擇CH1或CH2設(shè)置脈沖發(fā)生器通道1或通道2。
15. 點(diǎn)擊“Start”按鈕，所選脈沖發(fā)生器開(kāi)始生成脈沖序列。
16. 點(diǎn)擊“Stop”按鈕，所選脈沖發(fā)生器停止生成脈沖序列。

2.4 接口連接

J2控制接口信號(hào)有多個(gè)引腳，每個(gè)引腳有不同的功能，如SCK為EEPROM串行時(shí)鐘輸入，CSB為EEPROM芯片選擇輸入等。所有未包含在表中的引腳為“no connect”。

2.5 測(cè)試評(píng)估板

2.5.1 單獨(dú)開(kāi)關(guān)模式操作

在單獨(dú)開(kāi)關(guān)模式下，用戶(hù)可以通過(guò)USB連接的PC GUI軟件程序單獨(dú)打開(kāi)/關(guān)閉32個(gè)開(kāi)關(guān)。具體步驟為：

1. 點(diǎn)擊左上角的“Initialize HV MUX Controller”按鈕。
2. 取消選擇(STBY)，將HV2903設(shè)置為正常操作。
3. 選擇MODE，將HV2903設(shè)置為單獨(dú)開(kāi)關(guān)模式。
4. 在DIN中輸入32位數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)的通斷，數(shù)據(jù)‘1’表示開(kāi)關(guān)打開(kāi)，數(shù)據(jù)‘0’表示開(kāi)關(guān)關(guān)閉。
5. 點(diǎn)擊“Set HV MUX”按鈕。
6. GUI和控制器板會(huì)生成32位數(shù)據(jù)和32個(gè)時(shí)鐘，隨后是一個(gè)(overline{LE})負(fù)脈沖，開(kāi)關(guān)會(huì)根據(jù)GUI中的DIN數(shù)據(jù)進(jìn)行通斷操作。
7. 如果用戶(hù)選擇CLR并點(diǎn)擊“Set HV MUX”按鈕，所有開(kāi)關(guān)將關(guān)閉。

2.5.2 組開(kāi)關(guān)模式操作

在組開(kāi)關(guān)模式下，用戶(hù)可以通過(guò)USB連接的PC GUI軟件程序一起打開(kāi)/關(guān)閉所有偶數(shù)開(kāi)關(guān)（SW0, SW2, ..., SW30）和所有奇數(shù)開(kāi)關(guān)（SW1, SW3, ..., SW31）。具體步驟為：

1. 點(diǎn)擊左上角的“Initialize HV MUX Controller”按鈕。
2. 取消選擇STBY，將HV MUX設(shè)置為正常操作。
3. 取消選擇MODE，將HV2903設(shè)置為組開(kāi)關(guān)模式。
4. 選擇EN，將HV2903組開(kāi)關(guān)設(shè)置為激活狀態(tài)。如果不選擇EN，所有開(kāi)關(guān)將設(shè)置為關(guān)閉。
5. 選擇(A/B)，設(shè)置所有偶數(shù)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，所有奇數(shù)開(kāi)關(guān)關(guān)閉；或者取消選擇(A/B)，設(shè)置所有偶數(shù)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，所有奇數(shù)開(kāi)關(guān)打開(kāi)。
6. 點(diǎn)擊“Set HV MUX”按鈕。
7. GUI和HV MUX控制器會(huì)根據(jù)用戶(hù)在GUI中設(shè)置的控制數(shù)據(jù)生成數(shù)字控制信號(hào)。

2.6 HV MUX控制器和GUI手冊(cè)

2.6.1 設(shè)置步驟

在給HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板和HV MUX控制器上電之前，要確保PC上安裝了最新的GUI軟件。啟動(dòng)GUI程序，狀態(tài)欄左下角會(huì)顯示“Not Connected”消息。連接適當(dāng)?shù)碾娫床⒋蜷_(kāi)HV MUX控制器的電源開(kāi)關(guān)，F(xiàn)PGA_OK（LD1）和DC_IN（LD2）指示燈會(huì)亮起綠色，GUI狀態(tài)欄左下角會(huì)顯示“Connected”消息，此時(shí)HV MUX控制器即可控制HV2903評(píng)估板。

2.6.2 GUI描述

GUI界面上有多個(gè)功能項(xiàng)，如“Initialize HV MUX Controller”用于初始化FPGA和建立與HV MUX控制器的通信；STBY用于設(shè)置HV2903的待機(jī)模式；MODE用于選擇工作模式；DIN用于輸入32位數(shù)據(jù)控制開(kāi)關(guān)通斷；CLR用于清空所有開(kāi)關(guān)；EN用于激活組開(kāi)關(guān)模式；(A/B)用于控制偶數(shù)和奇數(shù)開(kāi)關(guān)的通斷；“Set HV MUX”用于將用戶(hù)設(shè)置的數(shù)據(jù)應(yīng)用到HV2903；“Pulses”和“(T_{OFF})”用于設(shè)置脈沖數(shù)量和脈沖序列之間的關(guān)斷時(shí)間；CH1/CH2用于選擇脈沖發(fā)生器通道；“Start”和“Stop”用于啟動(dòng)和停止脈沖發(fā)生器；“Message window”顯示GUI程序的信息；“Clear”用于清除消息窗口中的消息；“Connection Status window”顯示GUI與HV MUX控制器的連接狀態(tài)。

2.7 脈沖發(fā)生器輸出生成

要在HV MUX的SW8A SMA連接器處生成Ch1脈沖發(fā)生器輸出，可以按照以下步驟操作：

1. 在給HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板上電之前，確保PC上安裝了最新的GUI軟件。
2. 啟動(dòng)GUI程序，狀態(tài)欄左下角會(huì)顯示“Not Connected”消息。
3. 按照2.6.1節(jié)的“設(shè)置步驟”給HV MUX控制器和HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板上電，狀態(tài)欄會(huì)顯示“Connected”消息。
4. 點(diǎn)擊“Initialize HV MUX Controller”按鈕，檢查消息窗口是否顯示“Initialization Complete”。
5. 取消勾選(STBY)，將HV2903設(shè)置為正常操作。
6. 勾選MODE，將HV2903設(shè)置為單獨(dú)開(kāi)關(guān)模式。
7. 將DIN的第8位從‘0’更改為‘1’，設(shè)置SW8打開(kāi)（(DIN = 00000000 0000000000000001 00000000)）。
8. 點(diǎn)擊“Set HV MUX”按鈕，打開(kāi)HV2903的SW8。
9. 將“Pulses”更改為10。
10. 勾選CH1。
11. 點(diǎn)擊“Start”按鈕，CH1脈沖發(fā)生器開(kāi)始生成包含10個(gè)脈沖、(T_{OFF})時(shí)間為30 ms的脈沖序列。

三、PCB設(shè)計(jì)與布局注意事項(xiàng)

3.1 PCB布局技術(shù)

3.1.1 高壓和高速接地及布局技術(shù)

HV2903 TFBGA封裝底部的中心焊球內(nèi)部連接到IC的基板（(V_{SUB})），這些焊球應(yīng)在PCB上外部連接到GND。由于模擬開(kāi)關(guān)要通過(guò)高壓和高速信號(hào)，設(shè)計(jì)者需要注意連接走線，特別是要應(yīng)用50Ω到接地平面的受控阻抗和更大的走線間距。HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板的PCB布局采用了高速PCB走線設(shè)計(jì)方法。HV2903的內(nèi)部電路可以在高頻下運(yùn)行，主要速度限制是負(fù)載電容。由于這種高速和驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載產(chǎn)生的高瞬態(tài)電流，電源電壓旁路電容應(yīng)盡可能靠近引腳。所有GND引腳應(yīng)有低電感的穿通孔連接，直接連接到PCB第二層的實(shí)心接地平面。建議盡量減少到接地平面的走線長(zhǎng)度，并在電源引線到電容中插入鐵氧體磁珠，以防止電源線路中的共振。要特別注意減少走線長(zhǎng)度并使用足夠的走線寬度以降低電感，強(qiáng)烈推薦使用表面貼裝元件。使用實(shí)心接地平面以及良好的電源和信號(hào)布局方法可以防止任何可能的寄生電容耦合，用戶(hù)還應(yīng)確保電容性負(fù)載的循環(huán)接地返回電流不會(huì)與公共電感相互作用，在輸入邏輯電路中產(chǎn)生噪聲電壓。

3.1.2 去耦電容選擇

(V{LL})、(V{DD})和(V_{SS})電源電壓軌需要提供快速瞬態(tài)電流，因此每個(gè)芯片引腳應(yīng)配備低阻抗旁路電容。建議使用電容值為1.0到2.2 μF、具有適當(dāng)電壓額定值的表面貼裝陶瓷電容。用戶(hù)在選擇這些旁路電容時(shí)，需要特別注意陶瓷電容的類(lèi)型。低阻抗意味著在超聲脈沖傳輸?shù)念l率帶寬范圍內(nèi)具有低ESR/ESL阻抗，包括脈沖上升和下降沿的非?？斓膁V/dt。還建議選擇具有低溫系數(shù)和低電壓系數(shù)的電容，如X7R和X5R類(lèi)型或其他更先進(jìn)的多層陶瓷類(lèi)型。

四、附錄信息

4.1 原理圖和布局

附錄A包含了HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板（ADM00795）和HV MUX控制器板（ADM00825）的原理圖和布局圖，包括各個(gè)層面的銅層和絲印層等。

4.2 物料清單

附錄B列出了HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板和HV MUX控制器板的物料清單，包括每個(gè)元件的數(shù)量、參考編號(hào)、描述、制造商和零件編號(hào)等信息。

4.3 演示板波形

附錄C展示了演示板的典型波形，如5 MHz、四個(gè)脈沖的Ch1脈沖發(fā)生器輸入（所有開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)），以及5 MHz、10個(gè)脈沖、(V{PP} / V{NN}= pm 100 V)、(V{DD} / V{SS}= pm 6 V)、(V_{Gp} = 10V)、330 pF//2.5 kΩ負(fù)載下的波形。

通過(guò)以上對(duì)Microchip HV2903模擬開(kāi)關(guān)評(píng)估板的詳細(xì)介紹，相信大家對(duì)這款評(píng)估板有了更深入的了解。在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)這些信息進(jìn)行合理的操作和優(yōu)化，以充分發(fā)揮其性能。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。