APD (Avalanche Photodiode) 바이어싱 애플리케이션을 위한 전원 및 정밀한 전류 모니터
저자: Subbarami Reddy
개요: 이 기준 설계는 APD 바이어싱 애플리케이션의 전원 및 전류 모니터링 요구사항을 만족하는 회로를 제공한다. MAX15031 DC-DC 컨버터를 기반으로 하는 이 애플리케이션 회로는 2.7V ~ 11V 입력 전원 전압 범위에서 70V, 4mA, DC-DC 전원 컨버터를 제공한다.
아래에는 애플리케이션의 세부 회로도 (그림 1) 및 BOM(표 1)과 함께 이 기준 설계의 주요 규격이 나와 있다.
설계 규격 및 구성
2.7V ~ 11V의 넓은 입력 전원 전압 범위
출력 전압: 70V
출력 전류: 4mA
스위칭 주파수: 400kHz 고정
동작 온도 범위: -40°C ~ +125°C
초소형, 8mm x 12mm 회로 풋프린트
기준 설계 회로도
그림 1은 2.7V ~ 5.5V 입력 범위에 대한 기준 설계 회로도를 보여준다. CP 핀을 VIN에 연결하고 차지 펌프 커패시터(C3)를 제거하면 동일한 회로를 5.5V ~ 11V 범위의 입력에 사용할 수 있다.
그림 1. FSW = 400kHz(고정)의 MAX15031 부스트 컨버터 회로도
표 1. BOM (Bill of Materials)
명칭
값
설명
부품
풋프린트
제조사
수량
C1
1µF, 10V
커패시터
GRM155R61A105KE15
0402
Murata
1
C2, C4
0.1µF, 16V
커패시터
GRM155R71C104KA88
0402
Murata
2
C3, C6
0.01µF, 25V
커패시터
GRM155R71E103KA01D
0402
Murata
2
C5, C8
0.1µF, 100V
커패시터
GCM21BR72A104KA37L
0805
Murata
2
C7
0
커패시터
Open
0402
Open
1
D1
100V, 150mA
Schottky 다이오드
BAT46W-7-F
SOD-123
Diodes Inc.
1
L1
4.7µH
인덕터
ME3220-472MLB
3mm x 3mm
Coilcraft
1
R1
348kΩ
저항
SMD, 1%, 0.125W
0402
Vishay
1
R2
6.34kΩ
저항
SMD, 1%, 0.125W
0402
Vishay
1
R3, R6
10kΩ
저항
SMD, 1%, 0.125W
0402
Vishay
2
R4
100Ω
저항
SMD, 1%, 0.125W
0402
Vishay
1
R5
3.16kΩ
저항
SMD, 1%, 0.125W
0402
Vishay
1
U1
MAX15031
부스트 컨버터
MAX15031ATE+
16-TQFN-EP
Maxim
1
설계 성능을 보여주는 파형
그림 2와 그림 3은 그림 1 회로의 성능을 보여준다. LX 노드 전압으로부터 컨버터가 불연속 동작 모드에서 동작한다는 것을 알 수 있다. 회로는 70V 출력(VOUT)용으로 설계되었으며 입력(VIN)은 3.3V로 유지된다.
그림 2. 3.3V 입력에서 VIN(채널 1), VOUT(채널 2), APD (채널 3)
그림 3. VIN = 3.3V 및 4mA의 APD 전류에서 LX 노드 전압(채널 1), VOUT(채널 2), APD 출력 (채널 3)
그림 4. VIN = 3.3V 및 4mA의 APD 전류에서 입력 리플 (채널 1) 및 출력 리플 (채널 2)
그림 4는 입력 전압이 3.3V로 유지되고 부하 전류가 4mA일 때 입력 (VIN) 및 출력 (VOUT) 리플을 보여준다.
그림 5는 전류가 전류 제한에 도달할 때 RLIM을 통과하는 전압을 보여준다. 이 경우 전류 제한은 4mA로 설정된다. 전류 제한에 도달할 때 RLIM을 통과하는 전압은 1.245V이다.
그림 5. 4mA의 APD 전류에서 APD(채널 2), VIN (채널 3) 및 RLIM을 통과하는 APD 전류 모니터링 출력 (채널 4)
효율 측정
전체 시스템의 효율은 3.3V 및 5V 입력, 0 ~ 4mA 사이의 가변 부하 전류를 사용하여 테스트 결과로부터 측정되었다. 그림 6은 70V 출력에 대한 효율 곡선을 보여준다.
그림 6. 3.3V 및 5V 입력에서 효율 대비 부하 전류
보드 설계
그림 7은 초소형, 12mm x 8mm 회로 보드로 제공되는 이 기준 설계의 레이아웃을 보여준다. 그림 8과 그림 9는 각각 상단 및 하단 레이어 부품을 보여준다.