電源 轉換器 μModule

用于精密測試和測量系統的雙極性電源解決方案

2019-12-20
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為了確保高精度,精密測試和測量系統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換器信號鏈的性能。在這些測試和測量應用中,生成雙極和/或隔離系統電源給系統設計人員帶來了電路板面積、開關紋波、EMI和效率方面的挑戰。數據采集系統和數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,而不被開關電源產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也有增加的趨勢,以便增加并行測試。在電隔離應用中,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生。此驅動解決方案需要的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穩壓器或濾波器電路而導致效率變差。

例如,在1MHz下5mV紋波的開關電源軌需要通過LDO穩壓器和ADC供電特性的組合來實現60dB或以上的電源電壓抑制比(PSRR),從而將ADC輸出端的開關紋波減少到5μV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產生影響)。

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

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圖1.具有低電源紋波的非隔離雙極性電源系統(±15V和±5V)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為例。圖1顯示的電源解決方案可產生±15V和±5V并使用正負LDO穩壓器過濾/減少開關紋波,以及生成5V、3.3V或1.8V等其他電源軌,為信號調理電路或ADC和DAC供電。

此處所示的電源軌解決方案使用LTpowerCAD?中的系統設計工具設計。LTpowerCAD?設計工具是一款完整的電源設計工具程序,可使用顯著簡化許多電源產品的電源設計任務。

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生成負電源。LTM8049是μModule解決方案,可顯著簡化所需的元件數——只需添加輸入和輸出電容。除了簡化為開關穩壓器選擇元件和電路板布局方面的設計挑戰,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(<~100mA)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,可用于同步開關頻率和ADC的時鐘以避免在ADC的敏感期切換內部FET。這些穩壓器在負載電流為數百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壓器。兩個LDO穩壓器都配置為以最小壓降(~0.5V)操作以實現最高效率,同時提供良好的開關電源的紋波抑制。兩個LDO穩壓器都采用小型LFCSP封裝,可減少PCB尺寸和簡化物料清單。如果LDO穩壓器需要更高的PSRR來進一步減少MHz范圍內的開關紋波,則應考慮LT3094/LT3045等LDO穩壓器。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,由于靜態電流較高,PSRR越高,LDO穩壓器的效率越低。

CN-0345和CN-0385是兩個通過使用ADP5070實施此解決方案的參考設計示例。這些設計用于使用精密ADC(如18/20位AD4003/AD4020)進行精密多通道數據采集。在CN-0345中,LC儲能電路用于從ADP5070過濾開關紋波,代替使用LDO穩壓器,如圖1所示。在參考設計CN-0385中,在ADP5070后面使用正負電壓LDO穩壓器(ADP7118和ADP7182)過濾開關紋波。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等開關穩壓器在數據采集和精密供電/源等應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。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。

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圖2.具有低電源紋波的隔離雙極性電源系統的電源解決方案。

ADuM3470和LTM8067使我們能夠跨越隔離在5V隔離輸出端高效提供達~400mA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2kV rms。為了獲得更低的輸出紋波,LTM8068集成了輸出LDO穩壓器,以300mA的更低輸出電流為代價,將輸出紋波從30mV rms減少到20μV rms。

ADuM3470系列使用外部變壓器提供隔離電源,同時集成數字隔離通道用于對ADC和DAC進行數據傳輸和控制。根據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生成±15V電源軌。或者,ADuM3470設計也可配置為直接生成雙極電源,無需額外開關級。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2.5kV rms,而ADuM4470系列可用于高達5kV rms的更高電平的電壓隔離。

CN-0385是實施ADuM3470解決方案的參考設計示例,如圖2所示。ADP5070在隔離側用于從隔離的5.5V生成雙極性±16V電源軌。ADuM3470中也包括此參考設計使用的數字隔離通道。使用ADuM3470的類似設計為CN-0393。這是基于ADAQ7980/ADAQ7988μModule ADC的多通道隔離數據采集系統。在此設計中,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±16.5V電壓,無需額外穩壓器級。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∑-ΔADC的4通道數據采集解決方案,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,以實現隔離數據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

在圖1所示的電源方案中,LDO穩壓器用于從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Silent Switcher、μModule穩壓器LTM8074提高降至更低電壓的高效率解決方案如圖3所示。

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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4mm × 4mm尺寸BGA封裝的Silent Switcher、μModule降壓穩壓器,能夠以低輻射噪聲提供高達1.2A電流。Silent Switcher技術可以抵消開關電流產生的雜散場,由此減少傳導和輻射噪聲。此μModule設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穩壓器進一步過濾電源紋波,而傳統開關需要這樣做。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等系統中的數字硬件供電。LTM8074的小尺寸和高集成度使其非常適合空間受限應用,同時簡化并加速開關穩壓器電源的設計和布局。

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

將Silent Switcher技術與μModule解決方案中的高集成度相結合,可應對精密應用(如多通道源表)對密度不斷增長的需求的挑戰,而不會影響系統設計人員需要實現的高分辨率性能水平。

結論

為精密電子測試和測量供電的隔離雙極性電源系統需要在系統性能、保持小尺寸和電源效率之間實現平衡。我們在這里展示了一些解決方案和產品,可幫助應對這些挑戰,并允許系統設計人員做出正確的權衡。


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