深入解析Microchip HV2070模拟开关评估板

引言

在电子设计领域，模拟开关评估板在众多应用中发挥着关键作用。Microchip的HV2070模拟开关评估板为工程师们提供了一个强大的工具，用于测试和开发涉及高电压、高电流和高频脉冲的应用。本文将详细介绍HV2070模拟开关评估板的各个方面，包括产品概述、安装操作、GUI描述、PCB设计等内容，帮助工程师们更好地了解和使用这款评估板。

文件下载：ADM00853.pdf

产品概述

HV2070器件简介

HV2070是一款无高压偏置、32通道的高压模拟开关，采用L - Switch架构。它专为需要高压切换且由低压命令信号控制的应用而设计，如医疗超声成像、驱动压电换能器和打印机等。该器件具有两种工作模式：个体切换模式和银行切换模式，用户可通过MODE引脚逻辑输入进行选择。此外，它还有待机模式，可降低空闲状态下的功耗。

评估板特点

• 高性能开关：采用HV2070无高压偏置、32通道的高压模拟开关，具有L - Switch架构。
• 配套控制板：设计用于与Microchip HV MUX控制器板配合使用。
• 内置脉冲发生器：配备两个内置MD1822和TC6320脉冲发生器的2:1 MUX。
• 波形输出：可输出5 MHz的3级电压脉冲波形。
• 负载配置：每个SW8T、SW9T、SW24T、SW25T都有板载330 pF//2.5 kΩ的虚拟负载。
• 控制方式：可通过PC GUI和HV MUX控制器板进行模式选择、开关控制以及脉冲发生器的开关和时域控制。

评估板功能与参数

HV2070模拟开关评估板可控制HV2070器件的操作和内置脉冲发生器，通过两个2:1 MUX开关进行演示。它能驱动四个换能器元件，输出5 MHz ±100V的脉冲信号。其技术参数如下：	参数	值
HV2070操作模式	个体切换、银行切换和待机模式
脉冲发生器频率	5 MHz
脉冲串中的脉冲数	1 - 90
脉冲串之间的TOFF时间	5 - 30 msec
脉冲峰值电压和电流	0 - ±100V和±3.7A（典型值）
USB PC - GUI软件接口	FPGA控制信号和板J1、J2连接到ADM00825控制器接口
脉冲发生器R - C测试负载和用户换能器接口	内置，每通道330 pF//2.5 KΩ，带跳线和50Ω SMA
PCB板尺寸	115 mm x 110 mm

安装与操作

准备工作

HV2070模拟开关评估板已完全组装和测试，需要+3.3V、+10V、±6.0V和±100V六个电源电压轨。操作还需要以下额外工具：

1. 带宽至少为500 MHz的示波器和两个高阻抗探头，并确保电源接地与示波器接地正确连接。
2. Microchip HV MUX控制器板（ADM00825）。
3. 安装并运行HV MUX控制器板GUI软件的Microsoft Windows 7 PC，将J1和J2连接到HV MUX控制器板，并通过USB端口将HV MUX控制器板连接到Windows 7 PC。

HV MUX GUI安装

HV MUX GUI软件安装程序可从Microchip网站（www.mircochip.com）下载，通过搜索评估板部件号ADM00853获取。安装步骤如下：

1. 打开HVMUXGUI - v1.0.0 - windows - installer.exe。
2. 启动应用程序安装对话框，点击“Next”开始安装。
3. 阅读并接受许可协议。
4. 选择安装目录，可浏览指定位置或使用默认位置。
5. 确认安装路径后，点击“Next”开始安装，安装过程中会显示安装状态窗口。
6. 安装完成后，点击“Finish”退出安装程序。

评估板设置步骤

1. 使用连接器J1和J2将评估板连接到HV MUX控制器板。
2. 连接J5、J6、J7和J11上的所有跳线以连接板载R - C负载。
3. 按照表2 - 1所示的极性将所有电源连接到电压供应输入连接器J3和J4，注意仔细观察每个电源轨的极性并设置电压和电流限制。
4. 先开启Vss，再开启VDD。
5. 开启VLL。
6. 开启VGP和VPP、VNN。
7. 使用USB电缆将HV MUX控制器板连接到PC。
8. 为HV MUX控制器板提供+12V/1A电源。
9. 在PC上运行HV MUX GUI软件。
10. 在GUI中点击“Initialize HV MUX Controller Board”按钮，屏幕底部的状态窗口将显示“initialization complete”消息。
11. 清除STBY复选框以将HV2070设置为正常操作，并通过选择/清除MODE复选框选择切换模式。
12. 点击“Set HV MUX”按钮，将所有数字控制信号应用到HV2070。
13. 设置脉冲发生器的脉冲数和TOFF时间。
14. 选择CH1或CH2以分别设置通道1或通道2的脉冲发生器。
15. 点击“Start”按钮，所选脉冲发生器开始生成脉冲串。
16. 点击“Stop”按钮，所选脉冲发生器停止生成脉冲串。

推荐的电源上下电顺序

电源上下电顺序非常重要，错误的顺序可能会损坏设备。推荐的电源上电顺序为：Vss -> VDD -> VLL（逻辑信号低） -> VGP -> VPP和VNN；下电顺序为：VPP和VNN -> VGP -> VLL（逻辑信号低） -> VDD -> Vss。

接口连接

评估板的J2控制接口信号包括SCK、CSB、MISO、MOSI等多个信号，每个信号都有特定的功能和I/O类型。具体信号信息可参考文档中的表2 - 3。

测试评估板

个体切换模式操作

在个体切换模式下，用户可通过USB连接的PC GUI软件程序控制32个开关的开/关：

1. 点击左上角的“Initialize HV MUX Controller”按钮。
2. 清除STBY以将HV2070设置为正常操作。
3. 选择MODE以将HV2070设置为个体切换模式。
4. 在DIN中输入32位数据以设置开关的开/关状态，数据1表示开关打开，数据0表示开关关闭。
5. 点击“Set HV MUX”按钮。
6. GUI和控制器板将生成32位数据和32个时钟，随后是一个LE负脉冲，开关将根据GUI中的DIN数据进行开/关操作。
7. 如果用户选择CLR并点击“Set HV MUX”按钮，所有开关将关闭。

银行切换模式操作

在银行切换模式下，用户可通过USB连接的PC GUI软件程序同时控制所有偶数开关（SW0、SW2、...、SW30）和所有奇数开关（SW1、SW3、...、SW31）的开/关：

1. 点击左上角的“Initialize HV MUX Controller”按钮。
2. 清除STBY以将HV2070设置为正常操作。
3. 清除MODE以将HV2070设置为银行切换模式。
4. 选择EN复选框以激活HV2070的银行切换模式，若未选择EN，所有开关将设置为关闭。
5. 选择A/B以将所有偶数开关打开，所有奇数开关关闭；或清除A/B以将所有偶数开关关闭，所有奇数开关打开。
6. 点击“Set HV MUX”按钮。
7. GUI和HV MUX控制器板将根据用户在GUI中设置的控制数据生成数字控制信号。

脉冲发生器输出生成

在SW8T的SMA连接器上生成Ch1脉冲发生器输出的步骤如下：

1. 在给HV2070模拟开关评估板上电之前，确保PC上安装了最新的GUI软件。
2. 启动GUI程序，若板未连接，屏幕左下角的状态栏将显示“Not Connected”消息。
3. 按照前面所述的步骤为HV MUX控制器板和HV2070模拟开关评估板上电，状态栏将显示“Connected”提示。
4. 点击“Initialize HV MUX Controller”按钮，检查消息窗口以确认显示“Initialization Complete”。
5. 清除STBY复选框以将HV2070设备设置为正常操作。
6. 选择MODE以将HV2070设备设置为个体切换模式。
7. 将DIN中的第8位从0更改为1以打开SW8（DIN = 0000000000000000000000000100000000）。
8. 点击“Set HV MUX”按钮以打开HV2070的SW8。
9. 将脉冲数更改为10。
10. 选择CH1。
11. 点击“Start”按钮，CH1脉冲发生器将开始生成包含10个脉冲和30 ms TOFF时间的脉冲串。

GUI描述

HV2070模拟开关评估板的GUI提供了直观的用户界面，用于控制HV2070和内置脉冲发生器。以下是GUI中各项目的详细描述：	项目编号	项目名称	项目描述
1	Initialize HV MUX Controller	控制GUI是否启动HV MUX控制器板上FPGA的初始化以及GUI与HV MUX控制器板之间的通信。若无误，消息窗口将显示“Initialization Complete”消息。
2	STBY	选中此复选框时，STBY逻辑输入设置为低，HV2070设置为待机模式以降低功耗；清除此复选框时，STBY逻辑输入设置为高，HV2070设置为正常模式。
3	MODE	选中此复选框时，MODE逻辑输入设置为高，HV2070设置为个体切换模式；清除此复选框时，MODE逻辑输入设置为低，HV2070设置为银行切换模式。
4	DIN	32位数据输入框，每个位对应一个模拟开关。数据输入为1时，关联的开关打开；数据输入为0时，关联的开关关闭。
5	CLR	选中此复选框时，CLR逻辑输入设置为高，HV2070的所有开关设置为关闭；清除此复选框时，CLR逻辑输入设置为低，HV2070的32个开关根据DIN数据输入设置为开/关状态。
6	EN	选中此复选框时，EN逻辑输入设置为高，HV2070激活银行切换模式；清除此复选框时，EN逻辑输入设置为低，所有开关设置为关闭。
7	A/B	选中此复选框时，A/B逻辑输入设置为高，所有偶数开关打开，所有奇数开关关闭；清除此复选框时，A/B逻辑输入设置为低，所有偶数开关关闭，所有奇数开关打开。
8	Set HV MUX	控制项目2 - 7中描述的数据是否应用到HV2070。注意，在个体切换模式下，32位DIN数据、32个时钟和一个负LE脉冲仅应用一次。
9	Pulses	定义所选脉冲发生器生成的脉冲串中的脉冲数。一个脉冲是半个周期，脉冲串总是从正脉冲开始。
10	TOFF	定义所选脉冲发生器生成的脉冲串之间的间隔。
11	CH1/CH2	选中其中一个复选框时，相应的脉冲发生器将根据用户在步骤9和10中定义的参数生成5 MHz的脉冲串。
12	Start	控制所选脉冲发生器是否开始生成脉冲串。
13	Stop	控制所选脉冲发生器是否停止生成脉冲串。
14	Message Window	显示GUI程序的信息。
15	Clear	清除消息窗口中的消息。
16	Connection Status	显示GUI与HV MUX控制器板之间的连接状态。

PCB设计与布局注意事项

高压和高速接地及布局技术

HV2070模拟开关评估板用于传输高压、高电流和高频脉冲，PCB设计和布局对于确保实现的成功至关重要。HV2070 TFBGA封装底部的中心球内部连接到IC的基板（VSUB），这些球应在PCB上外部连接到GND。由于模拟开关传输高压和高速信号，用户必须注意连接走线，特别是要应用50Ω到接地平面的受控阻抗和更大的走线间距。采用高速PCB走线设计实践，HV2070的内部电路可以在相当高的频率下运行，主要速度限制是负载电容。因此，电源电压旁路电容器应尽可能靠近引脚，所有GND引脚应具有低电感的直通连接，直接连接到PCB第二层的实心接地平面。建议尽量减小到接地平面的走线长度，并在电源引线到电容器中插入铁氧体磁珠以防止电源线路中的谐振。同时，要尽量减小走线长度并使用足够的走线宽度以降低电感，高度推荐使用表面贴装元件。使用实心接地平面和良好的电源及信号布局实践可以防止任何可能的寄生电容耦合，用户还应确保来自电容性负载的循环接地返回电流不会与公共电感相互作用，从而在输入逻辑电路中产生噪声电压。

去耦电容器选择

VLL、VDD和Vss电源电压轨需要能够提供快速瞬态电流，因此应在每个电源引脚附近使用低阻抗旁路电容器。建议使用电容值为1.0 - 2.2 μF、具有适当电压额定值的表面贴装陶瓷电容器。选择这些旁路电容器时，要验证陶瓷电容器的类型，低阻抗意味着在超声脉冲传输的频率带宽范围内具有低ESR/ESL阻抗，包括脉冲上升和下降沿的非常快的dV/dt。还建议选择具有低温系数和低电压系数的电容器，如X7R和X5R或其他更先进的多层陶瓷类型。

总结

Microchip的HV2070模拟开关评估板为工程师提供了一个全面的解决方案，用于测试和开发涉及高压模拟开关的应用。通过本文的介绍，我们了解了评估板的产品特点、安装操作、GUI控制以及PCB设计等方面的内容。在实际应用中，工程师们需要严格按照操作步骤进行安装和测试，同时注意PCB设计和布局的要点，以确保评估板的性能和稳定性。你在使用这款评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。