用于精密測試和測量系統(tǒng)的雙極性電源解決方案

為了確保高精度，精密測試和測量系統(tǒng)需要具有低紋波和輻射噪聲的電源解決方案，從而不會降低高分辨率轉(zhuǎn)換器信號鏈的性能。在這些測試和測量應(yīng)用中，生成雙極和/或隔離系統(tǒng)電源給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了電路板面積、開關(guān)紋波、EMI和效率方面的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)字萬用表需要低噪聲電源，以便提供高分辨率ADC信號鏈的性能，而不被開關(guān)電源產(chǎn)生的紋波噪聲所影響。源表（SMU）和直流源/電源具有類似的要求，以便將高分辨率DAC信號鏈上的雜散輸出紋波降至最低。精密測試和測量儀器中的通道數(shù)也有增加的趨勢，以便增加并行測試。在電隔離應(yīng)用中，這些多通道儀器日益需要通道間隔離，其中電源必須在各通道上產(chǎn)生。此驅(qū)動解決方案需要的PCB尺寸越來越小，同時保持性能。在這些應(yīng)用中實施低噪聲電源解決方案可能導致PCB尺寸比期望的大，和/或由于過度使用LDO穩(wěn)壓器或濾波器電路而導致效率變差。

例如，在1 MHz下5 mV紋波的開關(guān)電源軌需要通過LDO穩(wěn)壓器和ADC供電特性的組合來實現(xiàn)60 dB或以上的電源電壓抑制比(PSRR)，從而將ADC輸出端的開關(guān)紋波減少到5 μV或更低。對于18位的高分辨率ADC，這只是LSB的一個零頭（從而不會對LSB產(chǎn)生影響）。

幸運的是，可以通過μModule器件和相關(guān)元件搭建集成度更高的電源解決方案來簡化這項任務(wù)。例如Silent Switcher器件和高電源電壓抑制比(PSRR) 的LDO穩(wěn)壓器，這些解決方案在降低輻射噪聲和開關(guān)紋波的同時實現(xiàn)了更高的效率。

圖1.具有低電源紋波的非隔離雙極性電源系統(tǒng)（±15 V和±5 V）的電源解決方案。

許多精密測試和測量儀器（如源表或電源）需要進行多象限操作，以獲取并測量正負信號。這就需要從單個具有低噪聲的正電源輸入有效地生成正負電源。讓我們以需要從單個正輸入電源生成雙極性電源的系統(tǒng)為例。圖1顯示的電源解決方案可產(chǎn)生±15 V和±5 V并使用正負LDO穩(wěn)壓器過濾/減少開關(guān)紋波，以及生成5 V、3.3 V或1.8 V等其他電源軌，為信號調(diào)理電路或ADC和DAC供電。

此處所示的電源軌解決方案使用LTpowerCAD中的系統(tǒng)設(shè)計工具設(shè)計。LTpowerCAD設(shè)計工具是一款完整的電源設(shè)計工具程序，可使用顯著簡化許多電源產(chǎn)品的電源設(shè)計任務(wù)。

LTM8049和ADP5070/ADP5071允許我們采用單個正輸入，將其提升為所需的正電源和反轉(zhuǎn)生成負電源。LTM8049是μModule解決方案，可顯著簡化所需的元件數(shù)——只需添加輸入和輸出電容。除了簡化為開關(guān)穩(wěn)壓器選擇元件和電路板布局方面的設(shè)計挑戰(zhàn)，LTM8049還可最大限度地減少生成雙極性電源所需的PCB尺寸和物料。要在更輕負載(<~100 mA)下提供高效率，ADP5070/ADP5071是更好的選擇。盡管ADP5070解決方案需要更多的外部元件，例如電感和二極管，但它允許對電源解決方案進行更多的定制。ADP5070和LTM8049都具有同步引腳，可用于同步開關(guān)頻率和ADC的時鐘以避免在ADC的敏感期切換內(nèi)部FET。這些穩(wěn)壓器在負載電流為數(shù)百mA時的高效率使其成為精密儀器電源的理想之選。

LT3032在單個封裝中集成了正負電壓低噪聲且具備寬工作范圍的LDO穩(wěn)壓器。LT3023集成了兩個低噪聲、正電壓LDO且具備寬工作范圍的穩(wěn)壓器。兩個LDO穩(wěn)壓器都配置為以最小壓降(~0.5 V)操作以實現(xiàn)最高效率，同時提供良好的開關(guān)電源的紋波抑制。兩個LDO穩(wěn)壓器都采用小型LFCSP封裝，可減少PCB尺寸和簡化物料清單。如果LDO穩(wěn)壓器需要更高的PSRR來進一步減少MHz范圍內(nèi)的開關(guān)紋波，則應(yīng)考慮LT3094/LT3045等LDO穩(wěn)壓器。選擇LDO級中所需要的PSRR將取決于用電源軌供電的ADC、DAC和放大器等元件的PSRR。一般而言，由于靜態(tài)電流較高，PSRR越高，LDO穩(wěn)壓器的效率越低。

CN-0345和CN-0385是兩個通過使用ADP5070實施此解決方案的參考設(shè)計示例。這些設(shè)計用于使用精密ADC（如18/20位AD4003/AD4020）進行精密多通道數(shù)據(jù)采集。在CN-0345中，LC儲能電路用于從ADP5070過濾開關(guān)紋波，代替使用LDO穩(wěn)壓器，如圖1所示。在參考設(shè)計CN-0385中，在ADP5070后面使用正負電壓LDO穩(wěn)壓器（ADP7118和ADP7182）過濾開關(guān)紋波。使用ADP5070對AD5791等雙極性20位精密DAC供電的示例可在此處的評估板用戶指南中找到。

這些示例說明在使用ADP5070等開關(guān)穩(wěn)壓器在數(shù)據(jù)采集和精密供電/源等應(yīng)用中生成雙極性電源時，如何保持高精密性能。

隔離雙極性電源

出于安全原因需要隔離精密測試和測量儀器時，通過隔離器件有效的提供充足供電將是一個挑戰(zhàn)。在多通道隔離儀器中，通道間隔離意味著每個通道都要有一個電源解決方案。這就需要一個緊湊的電源解決可以提供有效的供電。圖2顯示使用雙極性供電軌提供隔離電源的解決方案。

圖2.具有低電源紋波的隔離雙極性電源系統(tǒng)的電源解決方案。

ADuM3470和LTM8067使我們能夠跨越隔離在5 V隔離輸出端高效提供達~400 mA的電源。LTM8067是μModule解決方案，集成了變壓器和其他簡化隔離電源解決方案設(shè)計和布局的元件，同時最大限度地減少了PCB尺寸和物料清單。LTM8067隔離高達2 kV rms。為了獲得更低的輸出紋波，LTM8068集成了輸出LDO穩(wěn)壓器，以300 mA的更低輸出電流為代價，將輸出紋波從30 mV rms減少到20 μV rms。

ADuM3470系列使用外部變壓器提供隔離電源，同時集成數(shù)字隔離通道用于對ADC和DAC進行數(shù)據(jù)傳輸和控制。根據(jù)隔離解決方案的配置方式，隔離電源輸出可以沿用類似圖1的電源解決方案，如圖2所示從單個正電源在隔離側(cè)生成±15 V電源軌。或者，ADuM3470設(shè)計也可配置為直接生成雙極電源，無需額外開關(guān)級。這就以效率為代價獲得更小的PCB面積解決方案。ADuM3470可隔離高達2.5 kV rms，而ADuM4470系列可用于高達5 kV rms的更高電平的電壓隔離。

CN-0385是實施ADuM3470解決方案的參考設(shè)計示例，如圖2所示。ADP5070在隔離側(cè)用于從隔離的5.5 V生成雙極性±16 V電源軌。ADuM3470中也包括此參考設(shè)計使用的數(shù)字隔離通道。使用ADuM3470的類似設(shè)計為CN-0393。這是基于ADAQ7980/ADAQ7988 μModule ADC的多通道隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 在此設(shè)計中，ADuM3470配置有外部變壓器和肖特基二極管全波整流器以直接生成±16.5 V電壓，無需額外穩(wěn)壓器級。這允許以降低效率為代價獲得空間較小的解決方案。類似解決方案如CN-0292中所示，這是一個基于AD7176 ∑-Δ ADC的4通道數(shù)據(jù)采集解決方案，以及如CN-0233中所示，其中突出顯示了16位雙極性DAC的相同隔離電源解決方案。

這些示例顯示如何提供隔離電源，以實現(xiàn)隔離數(shù)據(jù)采集或隔離電源的精密性能，同時保持較小的PCB尺寸或高電源效率。

有效降壓和低噪聲的Silent Switcher架構(gòu)

在圖1所示的電源方案中，LDO穩(wěn)壓器用于從15 V電壓降至5 V/3.3 V電壓。這并非是生成這些低電壓軌非常有效的方式。使用Silent Switcher、μModule穩(wěn)壓器LTM8074提高降至更低電壓的高效率解決方案如圖3所示。

圖3.在低EMI的情況下將電壓降至更低電壓軌的電源解決方案。

LTM8074是采用小型4 mm × 4 mm尺寸BGA封裝的Silent Switcher、μModule降壓穩(wěn)壓器，能夠以低輻射噪聲提供高達1.2 A電流。Silent Switcher技術(shù)可以抵消開關(guān)電流產(chǎn)生的雜散場，由此減少傳導和輻射噪聲。此μModule設(shè)備效率高且具有極低的輻射噪聲，因此是為噪聲敏感精密信號鏈供電的絕佳選擇。根據(jù)連接到放大器、DAC或ADC等由電源供電元件的PSRR，也許可以從Silent Switcher輸出端直接為其供電，無需LDO穩(wěn)壓器進一步過濾電源紋波，而傳統(tǒng)開關(guān)需要這樣做。1.2 A的高輸出電流也意味著在需要的情況下，它可用于為FPGA等系統(tǒng)中的數(shù)字硬件供電。LTM8074的小尺寸和高集成度使其非常適合空間受限應(yīng)用，同時簡化并加速開關(guān)穩(wěn)壓器電源的設(shè)計和布局。

如果需要犧牲PCB面積進行更多定制，則可使用LT8609S等產(chǎn)品實現(xiàn)Silent Switcher設(shè)備的分立實施。這些產(chǎn)品包括展頻模式，可在開關(guān)頻率下在頻段上擴散紋波能量。這可降低精密系統(tǒng)電源中出現(xiàn)的雜散的幅度。

將Silent Switcher技術(shù)與μModule解決方案中的高集成度相結(jié)合，可應(yīng)對精密應(yīng)用（如多通道源表）對密度不斷增長的需求的挑戰(zhàn)，而不會影響系統(tǒng)設(shè)計人員需要實現(xiàn)的高分辨率性能水平。

結(jié)論

為精密電子測試和測量供電的隔離雙極性電源系統(tǒng)需要在系統(tǒng)性能、保持小尺寸和電源效率之間實現(xiàn)平衡。我們在這里展示了一些解決方案和產(chǎn)品，可幫助應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并允許系統(tǒng)設(shè)計人員做出正確的權(quán)衡。

參考文獻

Balat、Fil Paulo、Jefferson Eco和James Macasaet。“防止開關(guān)轉(zhuǎn)換器輸出浪涌引發(fā)的啟動問題。”《模擬對話》，2018年1月。

Knoth、Steve?！笆褂贸驮肼昄DO穩(wěn)壓器提供干凈的電源?！盇DI公司，2018年9月。

Limjoco、Aldrick?！傲私忾_關(guān)穩(wěn)壓器的輸出偽像，加快電源設(shè)計?！薄赌M對話》，2014年8月。

Luan、Austin?！暗虴MI、Silent Switcher、1.2 A μModule穩(wěn)壓器，采用4 mm

× 4 mm × 1.82 mm BGA封裝?！盇DI公司，2019年1月。

Morita、Glenn?！袄斫獾蛪翰罘€(wěn)壓器(LDO)，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。”《模擬對話》，2014年12月。

Obaldia、Estibaliz Sanz和James Jasper Macasaet。AN-1359應(yīng)用筆記，采用ADP5070的低噪聲、雙電源解決方案為單電源系統(tǒng)中的精密AD5761R雙極性DAC供電。ADI公司，2016年3月。

Tompseet、Kevin。AN-1366應(yīng)用筆記，使用ADP5070/ ADP5071在VOUT < VIN的情況下創(chuàng)建正負電壓供電軌。 ADI公司，2015年7月。

Walsh、Alan?！霸诠β拭舾行蛻?yīng)用中利用高效率、超低功耗開關(guān)穩(wěn)壓器為精密SAR ADC供電?！盇DI公司，2016年3月。

作者簡介

Alan Walsh是ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他于1999年加入ADI，就職于美國馬薩諸塞州威明頓市的精密儀器儀表部。他擁有都柏林大學電子工程學士學位。