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适用于精密测试和测量系统的双极电源解决方案

关键词:精密测试 测量系统

时间:2024-01-05 10:20:01      来源:网络

为了确保高精度,精密测试和测量系统需要具有低纹波和辐射噪声的电源解决方案,以免降低高分辨率转换器信号链的性能。在这些测试和测量应用中,生成双极和/或隔离的系统电源在电路板面积、开关纹波、EMI 和效率方面给系统设计人员带来了挑战。

为了确保高精度,精密测试和测量系统需要具有低纹波和辐射噪声的电源解决方案,以免降低高分辨率转换器信号链的性能。在这些测试和测量应用中,生成双极和/或隔离的系统电源在电路板面积、开关纹波、EMI 和效率方面给系统设计人员带来了挑战。

ADC 信号链不会被开关电源的杂散纹波音破坏。源测量单元和直流源/电源对于限度地减少高分辨率 DAC 信号链上的杂散输出纹波具有类似的要求。精密测试和测量仪器还存在增加通道数以增加并行测试的趋势。在电隔离应用中,这些多通道仪器对通道间隔离的需求不断增加,其中必须在每个通道的基础上生成电力。这推动了解决方案在保持性能的同时需要越来越小的 PCB 占用空间。在这些应用中实施低噪声电源解决方案可能会导致 PCB 占用空间大于所需尺寸和/或因过度使用 LDO 稳压器或滤波器电路而导致电源效率降低。

例如,1 MHz 时纹波为 5 mV 的开关电源轨需要 LDO 稳压器和供电 ADC 的组合电源抑制比 (PSRR) 为 60 dB 或更高,才能将 ADC 输出处的开关纹波降低至5μV以下。对于高分辨率 18 位 ADC,这只是 LSB 的一小部分。幸运的是,有一些解决方案通过与 μModule? 器件和组件进行更别的电源解决方案集成来简化这项任务,这些解决方案可提供更高的效率,同时降低辐射噪声和开关纹波,例如 Silent Switcher器件和高电源抑制比(PSRR) LDO 稳压器。

 
图 1:具有低电源纹波的非隔离双极性电源系统(±15 V 和 ±5 V)的电源解决方案。

许多精密测试和测量仪器(例如源测量单元或电源)需要多象限操作来源和测量正信号和负信号。这需要以低噪声且高效的方式从单个正电源输入生成负电源和正电源。让我们考虑一个需要从单个正输入电源生成双极性电源的系统。图 1 显示了产生 ±15V 和 ±5V 的电源解决方案,并使用正负LDO 稳压器来过滤/减少开关纹波,并生成额外的电压轨(例如 5V、3.3V 或 1.8V),为信号调理电路或ADC 和 DAC。

此处所示的电源轨解决方案是使用 LTpowerCAD? 中的系统设计器设计的。LTpowerCAD? 设计工具是一个完整的电源设计工具程序,可以显着简化许多电源产品的电源设计任务。

LTM8049 和 ADP5070/ADP5071 允许我们采用单个正输入,将其升压至所需的正电源,并将其反相以生成负电源轨。LTM8049 是一款 μModule 解决方案,大大简化了执行此操作所需的组件数量 — 我们只需添加输入和输出电容器。除了简化开关稳压器选择组件和电路板布局方面的设计挑战外,LTM8049 还限度地减少了生成双极电源所需的 PCB 占板面积和材料清单。如果需要较轻负载 (<~100 mA) 下的效率,ADP5070/ADP5071 是更好的选择。尽管ADP5070解决方案需要更多外部组件(例如电感器和二极管),但它允许对电源解决方案进行更多定制。ADP5070 和 LTM8049 均具有同步引脚,可用于将开关频率与 ADC 时钟同步,以避免在 ADC 敏感时间段内切换内部 FET。这些稳压器在负载电流仅为 100 mA 时的高效率使其成为精密仪器电源的理想选择。

LT3032 在单个封装中集成了正负低噪声 LDO 稳压器,具有宽工作范围。LT3023 集成了两个具有宽工作范围的低噪声、正 LDO 稳压器。两个 LDO 稳压器都配置为以的余量 (~0.5V) 运行,以限度地提高效率,同时还提供来自开关稳压器级的良好纹波抑制。这两款 LDO 稳压器均采用小型 LFCSP 封装,可减少 PCB 占地面积并简化物料清单。如果 LDO 稳压器需要更高水平的 PSRR 以进一步降低 MHz 范围内的开关纹波,则应考虑使用 LT3094/LT3045 等 LDO 稳压器。LDO 级所需 PSRR 的选择取决于组件的 PSRR,例如 ADC、DAC、和由电源轨供电的放大器。一般来说,PSRR 较高的 LDO 稳压器由于静态电流较高,效率较低。

CN-0345 和 CN-0385 是使用 ADP5070 实现该解决方案的参考设计的两个示例。这些设计用于使用精密 ADC(例如 18 位/20 位 AD4003/AD4020)进行精密多通道数据采集。在 CN-0345 中,使用 LC 储能电路来过滤来自 ADP5070 的开关纹波,而不是使用 LDO 稳压器(如图 1 所示)。在参考设计 CN-0385 中,使用正负 LDO 稳压器(ADP7118 和 ADP7182)在ADP5070之后过滤开关纹波。可以在评估板用户指南中找到使用 ADP5070 为 AD5791 等双极 20 位精密 DAC 供电的示例。

这些示例展示了如何在数据采集和精密电源/电源等应用中使用 ADP5070 等开关稳压器生成双极电源时保持高水平的精度性能。

隔离双极电源

当出于安全原因需要隔离精密测试和测量仪器时,这会给跨隔离栅有效提供足够功率带来挑战。在多通道隔离仪器中,通道间隔离意味着每个通道都有一个电源解决方案。这就需要一个能够高效供电的紧凑型电源解决方案。图 2 显示了使用双极轨提供隔离电源的解决方案。


图 2:低电源纹波隔离式双极性电源系统的电源解决方案。

ADuM3470 和 LTM8067 使我们能够在 5 V 隔离输出下通过隔离栅提供高达约 400 mA 的功率,并且效率很高。LTM8067 是一款集成了变压器和其他组件的 ?Module 解决方案,可简化隔离电源解决方案的设计和布局,同时限度地减少 PCB 占板面积和物料清单。LTM8067 隔离高达 2 kV rms。为了实现更低的输出纹波,LTM8068 集成了一个输出 LDO 稳压器,可将输出纹波从 30 mV rms 降低至 20 μV rms,但输出电流降低至 300 mA。

ADuM3470 系列使用外部变压器提供隔离电源,同时还集成了用于 ADC 和 DAC 数据传输和控制的数字隔离通道。根据隔离解决方案的配置方式,隔离电源输出后可以采用类似于图 1 的电源解决方案,如图 2 所示,通过单个正电源在隔离侧生成 ±15 V 电源轨。或者,ADuM3470 设计可配置为直接生成双极电源,无需额外的开关级。这会导致 PCB 面积更小的解决方案,但会牺牲效率。ADuM3470 可隔离高达 2.5 kV rms 的电压,而 ADuM4470 系列可用于高达 5 kV rms 的更别的电压隔离。

CN-0385 是实现 ADuM3470 解决方案的参考设计示例,如图 2 所示。ADP5070 用于隔离侧,从隔离 5.5 V 生成双极性 ±16 V 电源轨。该参考设计利用ADuM3470 中还包含数字隔离通道。CN-0393 是使用 ADuM3470 的类似设计。这是基于 ADAQ7980/ADAQ7988 μModule ADC 的银行隔离数据采集系统。在此设计中,ADuM3470 配置有外部变压器和肖特基二极管全波整流器,可直接生成 ±16.5 V,无需额外的稳压级。这允许更小的占地面积解决方案,但代价是效率较低。CN-0292 中显示了类似的解决方案,它是基于 AD7176 Σ-Δ ADC 的 4 通道数据采集解决方案,以及 CN-0233,

这些示例展示了如何在隔离数据采集或隔离电源中提供隔离电源以实现的性能水平,同时保持较小的 PCB 占用空间或高水平的电源效率。

静音切换器架构可高效降压且噪音低

在图 1 所示的电源方案中,LDO 稳压器用于从 15V 降压至 5V/3.3V。这并不是生成这些低电压轨的非常有效的方法。图 3 显示了使用 Silent Switcher μModule 稳压器 LTM8074 提高降压效率的解决方案。

LTM8074 是一款 Silent Switcher、μModule 降压稳压器,采用小型 4 mm × 4 mm 占位面积 BGA 封装,能够提供高达 1.2 A 的电流并具有低辐射噪声。Silent Switcher 技术可消除开关电流产生的杂散场,从而降低传导和辐射噪声。该 ?Module 器件具有高效率和极低的辐射噪声,使其成为为噪声敏感的精密信号链供电的选择。根据连接到输出电源的组件(例如放大器、DAC 或 ADC)的 PSRR,可以直接从 Silent Switcher 输出为它们供电,无需 LDO 稳压器根据需要进一步过滤电源纹波对于传统的切换器。其高输出电流为1. 2 A 还意味着如果需要,它可以用于为 FPGA 等系统中的数字硬件供电。LTM8074 的小尺寸和高集成度使其非常适合空间受限的应用,同时简化并加快了开关稳压器电源的设计和布局。


图 3:降压至较低电压轨并具有低 EMI 的电源解决方案。

如果需要以牺牲 PCB 面积为代价进行更大程度的定制,则可以使用 LT8609S 等产品来实现 Silent Switcher 器件的分立实施。这些产品包括扩频模式,可将开关频率下的纹波能量扩展至整个频带。这减少了精密系统中电源出现的杂散音调的幅度。

Silent Switcher 技术与 μModule 解决方案中的高集成度相结合,解决了精密应用(例如多通道源测量单元)不断增加的密度需求的挑战,同时又不影响系统设计人员需要实现的高分辨率性能水平。

结论

生成用于精密电子测试和测量的具有隔离功能的双极电源系统可以在系统性能、保持较小的占地面积和电源效率之间实现平衡。在这里,我们展示了有助于应对这些挑战并允许系统设计人员做出正确权衡的解决方案和产品。

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