【導(dǎo)讀】為了確保高精度，精密測(cè)試和測(cè)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(huì)降低高分辨率轉(zhuǎn)換器信號(hào)鏈的性能。在這些測(cè)試和測(cè)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(jì)人員帶來(lái)了電路板面積、開(kāi)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(wàn)用表需要低噪聲電源，以便提供高分辨率ADC信號(hào)鏈的性能，而不被開(kāi)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(lèi)似的要求，以便將高分辨率DAC信號(hào)鏈上的雜散輸出紋波降至最低。
精密測(cè)試和測(cè)量?jī)x器中的通道數(shù)也有增加的趨勢(shì)，以便增加并行測(cè)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(dòng)解決方案需要的PCB尺寸越來(lái)越小，同時(shí)保持性能。在這些應(yīng)用中實(shí)施低噪聲電源解決方案可能導(dǎo)致PCB尺寸比期望的大，和/或由于過(guò)度使用LDO穩(wěn)壓器或?yàn)V波器電路而導(dǎo)致效率變差。
例如，在1 MHz下5 mV紋波的開(kāi)關(guān)電源軌需要通過(guò)LDO穩(wěn)壓器和ADC供電特性的組合來(lái)實(shí)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(kāi)關(guān)紋波減少到5 μV或更低。對(duì)于18位的高分辨率ADC，這只是LSB的一個(gè)零頭（從而不會(huì)對(duì)LSB產(chǎn)生影響）。
幸運(yùn)的是，可以通過(guò) μModule® 器件和相關(guān)元件搭建集成度更高的電源解決方案來(lái)簡(jiǎn)化這項(xiàng)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(kāi)關(guān)紋波的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高的效率。
許多精密測(cè)試和測(cè)量?jī)x器（如源表或電源）需要進(jìn)行多象限操作，以獲取并測(cè)量正負(fù)信號(hào)。這就需要從單個(gè)具有低噪聲的正電源輸入有效地生成正負(fù)電源。讓我們以需要從單個(gè)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±5V并使用正負(fù)LDO穩(wěn)壓器過(guò)濾/減少開(kāi)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(hào)調(diào)理電路或ADC和DAC供電。
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。
此處所示的電源軌解決方案使用LTpowerCAD®中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)。LTpowerCAD® 設(shè)計(jì)工具是一款完整的電源設(shè)計(jì)工具程序，可使用顯著簡(jiǎn)化許多電源產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)任務(wù)。
LTM8049 和 ADP5070/ADP5071 允許我們采用單個(gè)正輸入，將其提升為所需的正電源和反轉(zhuǎn)生成負(fù)電源。LTM8049是μModule解決方案，可顯著簡(jiǎn)化所需的元件數(shù)——只需添加輸入和輸出電容。除了簡(jiǎn)化為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器選擇元件和電路板布局方面的設(shè)計(jì)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(fù)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(duì)電源解決方案進(jìn)行更多的定制。ADP5070和LTM8049都具有同步引腳，可用于同步開(kāi)關(guān)頻率和ADC的時(shí)鐘以避免在ADC的敏感期切換內(nèi)部FET。這些穩(wěn)壓器在負(fù)載電流為數(shù)百mA時(shí)的高效率使其成為精密儀器電源的理想之選。
LT3032 在單個(gè)封裝中集成了正負(fù)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(gè)低噪聲、正電壓LDO且具備寬工作范圍的穩(wěn)壓器。兩個(gè)LDO穩(wěn)壓器都配置為以最小壓降(~0.5 V)操作以實(shí)現(xiàn)最高效率，同時(shí)提供良好的開(kāi)關(guān)電源的紋波抑制。兩個(gè)LDO穩(wěn)壓器都采用小型LFCSP封裝，可減少PCB尺寸和簡(jiǎn)化物料清單。如果LDO穩(wěn)壓器需要更高的PSRR來(lái)進(jìn)一步減少M(fèi)Hz范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)紋波，則應(yīng)考慮LT3094/LT3045等LDO穩(wěn)壓器。選擇LDO級(jí)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(gè)通過(guò)使用ADP5070實(shí)施此解決方案的參考設(shè)計(jì)示例。這些設(shè)計(jì)用于使用精密ADC（如18/20位AD4003/AD4020）進(jìn)行精密多通道數(shù)據(jù)采集。在CN-0345中，LC儲(chǔ)能電路用于從ADP5070過(guò)濾開(kāi)關(guān)紋波，代替使用LDO穩(wěn)壓器，如圖1所示。在參考設(shè)計(jì)CN-0385中，在ADP5070后面使用正負(fù)電壓 LDO 穩(wěn)壓器 (ADP7118 和 ADP7182) 過(guò)濾開(kāi)關(guān)紋波。使用ADP5070對(duì) AD5791等雙極性20位精密DAC供電的示例可在此處的評(píng)估板用戶指南中找到。
這些示例說(shuō)明在使用ADP5070等開(kāi)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(shí)，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(cè)試和測(cè)量?jī)x器時(shí)，通過(guò)隔離器件有效的提供充足供電將是一個(gè)挑戰(zhàn)。在多通道隔離儀器中，通道間隔離意味著每個(gè)通道都要有一個(gè)電源解決方案。這就需要一個(gè)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(dá)~400 mA的電源。LTM8067是µModule解決方案，集成了變壓器和其他簡(jiǎn)化隔離電源解決方案設(shè)計(jì)和布局的元件，同時(shí)最大限度地減少了PCB尺寸和物料清單。LTM8067隔離高達(dá)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(jià)，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(shí)集成數(shù)字隔離通道用于對(duì)ADC和DAC進(jìn)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(lèi)似圖1的電源解決方案，如圖2所示從單個(gè)正電源在隔離側(cè)生成±15 V電源軌?；蛘?，ADuM3470設(shè)計(jì)也可配置為直接生成雙極電源，無(wú)需額外開(kāi)關(guān)級(jí)。這就以效率為代價(jià)獲得更小的PCB面積解決方案。ADuM3470可隔離高達(dá)2.5 kVrms，而 ADuM4470 系列可用于高達(dá)5 kVrms的更高電平的電壓隔離。
ADuM3470
● 隔離式PWM控制器
● 集成變壓器驅(qū)動(dòng)器
● 可調(diào)的穩(wěn)壓輸出：3.3 V至24 V
● 2 W輸出功率
● 效率：70%（400 mA保證負(fù)載、5.0 V輸出時(shí)）
● 四個(gè)DC-25 Mbps (NRZ)信號(hào)隔離通道
● 20引腳SSOP封裝
● 工作溫度最高可達(dá)：105℃
● 高共模瞬變抗擾度：>25 kV/μs
● 可調(diào)振蕩器頻率：200 kHz至1 MHz
● 上電時(shí)提供軟啟動(dòng)功能
● 逐脈沖過(guò)流保護(hù)
● 熱關(guān)斷
● 2500 V rms隔離
● 提供評(píng)估板
● 符合汽車(chē)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)
CN-0385是實(shí)施ADuM3470解決方案的參考設(shè)計(jì)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(jì)使用的數(shù)字隔離通道。使用ADuM3470的類(lèi)似設(shè)計(jì)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(jì)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(wú)需額外穩(wěn)壓器級(jí)。這允許以降低效率為代價(jià)獲得空間較 小的解決方案。類(lèi)似解決方案如 CN-0292中所示，這是一個(gè)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(shí)現(xiàn)隔離數(shù)據(jù)采集或隔離電源的精密性能，同時(shí)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(dá)1.2 A電流。Silent Switcher技術(shù)可以抵消開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的雜散場(chǎng)，由此減少傳導(dǎo)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(hào)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(wú)需LDO穩(wěn)壓器進(jìn)一步過(guò)濾電源紋波，而傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)需要這樣做。1.2A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(shí)簡(jiǎn)化并加速開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電源的設(shè)計(jì)和布局。
如果需要犧牲PCB面積進(jìn)行更多定制，則可使用 LT8609S等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)Silent Switcher設(shè)備的分立實(shí)施。這些產(chǎn)品包括展頻模式，可在開(kāi)關(guān)頻率下在頻段上擴(kuò)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(duì)精密應(yīng)用（如多通道源表）對(duì)密度不斷增長(zhǎng)的需求的挑戰(zhàn)，而不會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)的高分辨率性能水平。
結(jié)論
為精密電子測(cè)試和測(cè)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(shí)現(xiàn)平衡。我們?cè)谶@里展示了一些解決方案和產(chǎn)品，可幫助應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，并允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員做出正確的權(quán)衡。
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