雪崩光電二極管(APD)偏置電源及其電流監(jiān)測
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摘要：本文提供的參考設(shè)計用于實現(xiàn)APD偏置電源及其電流監(jiān)測。基于MAX15031 DC-DC轉(zhuǎn)換器，該電路能夠?qū)?.7V至11V范圍的輸入電壓經(jīng)過DC-DC電源轉(zhuǎn)換器后得到一個70V、4mA電源。
下面列出了參考設(shè)計的主要規(guī)格、詳細(xì)的原理圖(圖1)以及材料清單(表1)。
設(shè)計規(guī)格與配置
- 2.7V至11V較寬的輸入電壓范圍
- 70V輸出電壓
- 4mA輸出電流
- 400kHz固定開關(guān)頻率
- -40°C至+125°C工作溫度范圍
- 微型、8mm x 12mm電路板尺寸
參考設(shè)計原理圖
圖1所示為參考設(shè)計的原理圖，輸入電壓范圍為2.7V至5.5V。將CP引腳連接到VIN、去掉電荷泵電容(C3)，該電路可接受5.5V至11V輸入范圍。
圖1. MAX15031升壓轉(zhuǎn)換器原理圖，F(xiàn)SW = 400kHz (固定)。
表1. 材料清單(BOM)
| Designator | Value | Description | Part | Footprint | Manufacturer | Quantity |
| C1 | 1μF, 10V | Capacitor | GRM155R61A105KE15 | 0402 | Murata | 1 |
| C2, C4 | 0.1μF, 16V | Capacitors | GRM155R71C104KA88 | 0402 | Murata | 2 |
| C3, C6 | 0.01μF, 25V | Capacitors | GRM155R71E103KA01D | 0402 | Murata | 2 |
| C5, C8 | 0.1μF, 100V | Capacitors | GCM21BR72A104KA37L | 0805 | Murata | 2 |
| C7 | 0 | Capacitor | Open | 0402 | Open | 1 |
| D1 | 100V, 150mA | Schottky diode | BAT46W-7-F | SOD-123 | Diodes Inc. | 1 |
| L1 | 4.7μH | Inductor | ME3220-472MLB | 3mm x 3mm | Coilcraft | 1 |
| R1 | 348kΩ | Resistor | SMD, 1%, 0.125W | 0402 | Vishay | 1 |
| R2 | 6.34kΩ | Resistor | SMD, 1%, 0.125W | 0402 | Vishay | 1 |
| R3, R6 | 10kΩ | Resistors | SMD, 1%, 0.125W | 0402 | Vishay | 2 |
| R4 | 100Ω | Resistor | SMD, 1%, 0.125W | 0402 | Vishay | 1 |
| R5 | 3.16kΩ | Resistor | SMD, 1%, 0.125W | 0402 | Vishay | 1 |
| U1 | MAX15031 | Boost converter | MAX15031ATE+ | 16-TQFN-EP | Maxim | 1 |
表示本設(shè)計性能的波形圖
圖2和圖3給出了圖1所示電路的工作性能，從LX節(jié)點(diǎn)的電壓波形可以看出，轉(zhuǎn)換器工作在非連續(xù)模式。輸入(VIN)保持為3.3V，電路設(shè)計為產(chǎn)生70V輸出電壓(VOUT)。
圖2. 3.3V輸入時的VIN (通道1)、VOUT (通道2)和APD (通道3)。
圖3. VIN = 3.3V、APD電流為4mA時的LX節(jié)點(diǎn)電壓(通道1)、VOUT (通道2)和APD輸出(通道3)。
圖4. VIN = 3.3V、APD電流為4mA時的輸入紋波(通道1)和輸出紋波(通道2)。
圖4給出了輸入電壓為3.3V、負(fù)載電流為4mA時，輸入(VIN)紋波和輸出(VOUT)紋波。
圖5所示波形是當(dāng)輸出電流到達(dá)電流門限時RLIM引腳的電壓波形。此時的電流門限設(shè)置在4mA，達(dá)到電流門限時，RLIM兩端的電壓為1.245V。
圖5. APD電流為4mA時的APD輸出(通道2)、VIN (通道3)以及APD電流監(jiān)測輸出(即RLIM兩端電壓) (通道4)。
效率測試
輸入電壓為3.3V和5V，負(fù)載電流在0至4mA范圍變化時，對測試結(jié)果進(jìn)行計算得到系統(tǒng)的整體效率，圖6所示為70V輸出條件下的效率曲線。
圖6. 3.3V和5V輸入時，效率與負(fù)載電流的對應(yīng)關(guān)系曲線。
PCB設(shè)計
圖7所示為參考設(shè)計布局，僅占用12mm x 8mm極小的電路板尺寸。圖8和圖9分別顯示了頂層和底層元件布局。
圖7. 參考設(shè)計電路板布局，尺寸為12mm x 8mm。
圖8. 頂層元件布局
圖9. 底層元件布局
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