鉅大LARGE | 點擊量：787次 | 2021年08月12日
精密電子探測測量的隔離雙極性電源系統(tǒng)辦法
為了確保高精度，精密探測和測量系統(tǒng)要具有低紋波和輻射噪聲的電源處理方法，從而不會降低高辨別率轉(zhuǎn)換器信號鏈的性能。在這些探測和測量使用中，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)字萬用表要低噪聲電源，以便供應(yīng)高辨別率ADC信號鏈的性能，而不被開關(guān)電源萌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，以便將高辨別率DAC信號鏈上的雜散輸出紋波降至最低。精密探測和測量儀器中的通道數(shù)也有新增的趨勢，以便新增并行探測。在電隔離使用中，這些多通道儀器日益要通道間隔離，其中電源非得在各通道上萌生。此驅(qū)動處理方法要的PCb尺寸越來越小，同時保持性能。在這些使用中實行低噪聲電源處理方法可能導(dǎo)致PCb尺寸比期待的大，和/或由于過度使用LDO穩(wěn)壓器或濾波器電路而導(dǎo)致效率變差。
例如，在1MHz下5mV紋波的開關(guān)電源軌要通過LDO穩(wěn)壓器和ADC供電特性的組合來實現(xiàn)60db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5muV或更低。關(guān)于18位的高辨別率ADC，這只是LSb的一個零頭（從而不會對LSb萌生影響）。
幸運的是，可以通過muModule器件和相關(guān)元件搭建集成度更高的電源處理方法來簡化這項任務(wù)。例如SilentSwitcher器件和高電源電壓抑制比(PSRR)的LDO穩(wěn)壓器，這些處理方法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)（15V和5V）的電源處理方法。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
許多精密探測和測量儀器（如源表或電源）要進(jìn)行多象限操作，以獲取并測量正負(fù)信號。這就要從單個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顯示的電源處理方法可萌生15V和5V并使用正負(fù)LDO穩(wěn)壓器過濾/減少開關(guān)紋波，以及生成5V、3.3V或1.8V等其他電源軌，為信號調(diào)理電路或ADC和DAC供電。
此處所示的電源軌處理方法使用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準(zhǔn)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(fù)電源。LTM8049是muModule處理方法，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(fù)載(lt~100mA)下供應(yīng)高效率，ADP5070/ADP5071是更好的選擇。盡管ADP5070處理方法要更多的外部元件，例如電感和二極管，但它準(zhǔn)許對電源處理方法進(jìn)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的時鐘以防止在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(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(~0.5V)操作以實現(xiàn)最高效率，同時供應(yīng)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。假如LDO穩(wěn)壓器要更高的PSRR來進(jìn)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實行此處理方法的參考設(shè)計示例。這些設(shè)計用于使用精密ADC（如18/20位AD4003/AD4020）進(jìn)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(fù)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/源等使用中生成雙極性電源時，要怎么樣保持高精密性能。
隔離雙極性電源
出于安全原由要隔離精密探測和測量儀器時，通過隔離器件有效的供應(yīng)充分供電將是一個挑戰(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處理方法。這就要一個緊湊的電源處理可以供應(yīng)有效的供電。圖2顯示使用雙極性供電軌供應(yīng)隔離電源的處理方法。
圖2.具有低電源紋波的隔離雙極性電源系統(tǒng)的電源處理方法。
ADuM3470和LTM8067使我們能夠跨過隔離在5V隔離輸出端高效供應(yīng)達(dá)~400mA的電源。LTM8067是muModule處理方法，集成了變壓器和其他簡化隔離電源處理方法設(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(dá)2kVrms。為了獲得更低的輸出紋波，LTM8068集成了輸出LDO穩(wěn)壓器，以300mA的更低輸出電流為代價，將輸出紋波從30mVrms減少到20muVrms。
ADuM3470系列使用外部變壓器供應(yīng)隔離電源，同時集成數(shù)字隔離通道用于對ADC和DAC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制。依據(jù)隔離處理方法的配置方式，隔離電源輸出可以沿用類似圖1的電源處理方法，如圖2所示從單個正電源在隔離側(cè)生成15V電源軌?；蛘撸珹DuM3470設(shè)計也可配置為筆直生成雙極電源，無需額外開關(guān)級。這就以效率為代價獲得更小的PCb面積處理方法。ADuM3470可隔離高達(dá)2.5kVrms，而ADuM4470系列可用于高達(dá)5kVrms的更高電平的電壓隔離。
CN-0385是實行ADuM3470處理方法的參考設(shè)計示例，如圖2所示。ADP5070在隔離側(cè)用于從隔離的5.5V生成雙極性16V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/ADAQ7988muModuleADC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筆直生成16.5V電壓，無需額外穩(wěn)壓器級。這準(zhǔn)許以降低效率為代價獲得空間較小的處理方法。類似處理方法如CN-0292中所示，這是一個基于AD7176sum-DeltaADC的4通道數(shù)據(jù)采集處理方法，以及如CN-0233中所示，其中突出顯示了16位雙極性DAC的相同隔離電源處理方法。
這些示例顯示要怎么樣供應(yīng)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SilentSwitcher架構(gòu)
在圖1所示的電源方法中，LDO穩(wěn)壓器用于從15V電壓降至5V/3.3V電壓。這并非是生成這些低電壓軌非常有效的方式。使用SilentSwitcher、muModule穩(wěn)壓器LTM8074提高降至更低電壓的高效率處理方法如圖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處理方法。
LTM8074是采用小型4mm4mm尺寸bGA封裝的SilentSwitcher、muModule降壓穩(wěn)壓器，能夠以低輻射噪聲供應(yīng)高達(dá)1.2A電流。SilentSwitcher技術(shù)可以抵消開關(guān)電流萌生的雜散場，由此減少傳導(dǎo)和輻射噪聲。此muModule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。依據(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SilentSwitcher輸出端筆直為其供電，無需LDO穩(wěn)壓器進(jìn)一步過濾電源紋波，而傳統(tǒng)開關(guān)要這樣做。1.2A的高輸出電流也意味著在要的情況下，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使用，同時簡化并加速開關(guān)穩(wěn)壓器電源的設(shè)計和布局。
假如要犧牲PCb面積進(jìn)行更多定制，則可使用LT8609S等產(chǎn)品實現(xiàn)SilentSwitcher設(shè)備的分立實行。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SilentSwitcher技術(shù)與muModule處理方法中的高集成度相結(jié)合，可應(yīng)對精密使用（如多通道源表）對密度不斷上升的需求的挑戰(zhàn)，而不會影響系統(tǒng)設(shè)計人員要實現(xiàn)的高辨別率性能水平。
結(jié)論
為精密電子探測和測量供電的隔離雙極性電源系統(tǒng)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處理方法和產(chǎn)品，可幫助應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并準(zhǔn)許系統(tǒng)設(shè)計人員做出正確的權(quán)衡。
