雪崩光电二极管(APD)偏置电源及其电流监测

摘要：本文提供的参考设计用于实现APD偏置电源及其电流监测。基于MAX15031 DC-DC转换器，该电路能够将2.7V至11V范围的输入电压经过DC-DC电源转换器后得到一个70V、4mA电源。

下面列出了参考设计的主要规格、详细的原理图(图1)以及材料清单(表1)。

设计规格与配置

• 2.7V至11V较宽的输入电压范围
• 70V输出电压
• 4mA输出电流
• 400kHz固定开关频率
• -40°C至+125°C工作温度范围
• 微型、8mm x 12mm电路板尺寸

参考设计原理图

图1所示为参考设计的原理图，输入电压范围为2.7V至5.5V。将CP引脚连接到VIN、去掉电荷泵电容(C3)，该电路可接受5.5V至11V输入范围。


图1. MAX15031升压转换器原理图，FSW = 400kHz (固定)。

表1. 材料清单(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

表示本设计性能的波形图

图2和图3给出了图1所示电路的工作性能，从LX节点的电压波形可以看出，转换器工作在非连续模式。输入(VIN)保持为3.3V，电路设计为产生70V输出电压(VOUT)。


图2. 3.3V输入时的VIN (通道1)、VOUT (通道2)和APD (通道3)。


图3. VIN = 3.3V、APD电流为4mA时的LX节点电压(通道1)、VOUT (通道2)和APD输出(通道3)。


图4. VIN = 3.3V、APD电流为4mA时的输入纹波(通道1)和输出纹波(通道2)。

图4给出了输入电压为3.3V、负载电流为4mA时，输入(VIN)纹波和输出(VOUT)纹波。

图5所示波形是当输出电流到达电流门限时RLIM引脚的电压波形。此时的电流门限设置在4mA，达到电流门限时，RLIM两端的电压为1.245V。


图5. APD电流为4mA时的APD输出(通道2)、VIN (通道3)以及APD电流监测输出(即RLIM两端电压) (通道4)。

效率测试

输入电压为3.3V和5V，负载电流在0至4mA范围变化时，对测试结果进行计算得到系统的整体效率，图6所示为70V输出条件下的效率曲线。


图6. 3.3V和5V输入时，效率与负载电流的对应关系曲线。

PCB设计

图7所示为参考设计布局，仅占用12mm x 8mm极小的电路板尺寸。图8和图9分别显示了顶层和底层元件布局。


图7. 参考设计电路板布局，尺寸为12mm x 8mm。


图8. 顶层元件布局


图9. 底层元件布局