广告

用于精密测试和测量系统的双极性电源解决方案

2019-12-26 15:46:35 Alan Walsh ADI公司 阅读:
数据采集系统和数字万用表需要低噪声电源,以便提供高分辨率ADC信号链的性能,而不被开关电源产生的纹波噪声所影响。

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,从而不会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/或隔离系统电源给系统设计人员带来了电路板面积、开关纹波、EMI和效率方面的挑战。数据采集系统和数字万用表需要低噪声电源,以便提供高分辨率ADC信号链的性能,而不被开关电源产生的纹波噪声所影响。源表(SMU)和直流源/电源具有类似的要求,以便将高分辨率DAC信号链上的杂散输出纹波降至最低。精密测试和测量仪器中的通道数也有增加的趋势,以便增加并行测试。在电隔离应用中,这些多通道仪器日益需要通道间隔离,其中电源必须在各通道上产生。此驱动解决方案需要的PCB尺寸越来越小,同时保持性能。在这些应用中实施低噪声电源解决方案可能导致PCB尺寸比期望的大,和/或由于过度使用LDO稳压器或滤波器电路而导致效率变差。76Cednc

例如,在1 MHz下5 mV纹波的开关电源轨需要通过LDO稳压器和ADC供电特性的组合来实现60 dB或以上的电源电压抑制比(PSRR),从而将ADC输出端的开关纹波减少到5 μV或更低。对于18位的高分辨率ADC,这只是LSB的一个零头(从而不会对LSB产生影响)。76Cednc

幸运的是,可以通过μModule®器件和相关元件搭建集成度更高的电源解决方案来简化这项任务。例如Silent Switcher®器件和高电源电压抑制比(PSRR) 的LDO稳压器,这些解决方案在降低辐射噪声和开关纹波的同时实现了更高的效率。76Cednc

76Cednc

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。76Cednc

许多精密测试和测量仪器(如源表或电源)需要进行多象限操作,以获取并测量正负信号。这就需要从单个具有低噪声的正电源输入有效地生成正负电源。让我们以需要从单个正输入电源生成双极性电源的系统为例。图1显示的电源解决方案可产生±15 V和±5 V并使用正负LDO稳压器过滤/减少开关纹波,以及生成5 V、3.3 V或1.8 V等其他电源轨,为信号调理电路或ADC和DAC供电。76Cednc

此处所示的电源轨解决方案使用LTpowerCAD®中的系统设计工具设计。LTpowerCAD®设计工具是一款完整的电源设计工具程序,可使用显著简化许多电源产品的电源设计任务。76Cednc

LTM8049ADP5070/ADP5071允许我们采用单个正输入,将其提升为所需的正电源和反转生成负电源。LTM8049是μModule解决方案,可显著简化所需的元件数——只需添加输入和输出电容。除了简化为开关稳压器选择元件和电路板布局方面的设计挑战,LTM8049还可最大限度地减少生成双极性电源所需的PCB尺寸和物料。要在更轻负载(<~100 mA)下提供高效率,ADP5070/ADP5071是更好的选择。尽管ADP5070解决方案需要更多的外部元件,例如电感和二极管,但它允许对电源解决方案进行更多的定制。ADP5070和LTM8049都具有同步引脚,可用于同步开关频率和ADC的时钟以避免在ADC的敏感期切换内部FET。这些稳压器在负载电流为数百mA时的高效率使其成为精密仪器电源的理想之选。76Cednc

LT3032在单个封装中集成了正负电压低噪声且具备宽工作范围的LDO稳压器。LT3023集成了两个低噪声、正电压LDO且具备宽工作范围的稳压器。两个LDO稳压器都配置为以最小压降(~0.5 V)操作以实现最高效率,同时提供良好的开关电源的纹波抑制。两个LDO稳压器都采用小型LFCSP封装,可减少PCB尺寸和简化物料清单。如果LDO稳压器需要更高的PSRR来进一步减少MHz范围内的开关纹波,则应考虑LT3094/LT3045等LDO稳压器。选择LDO级中所需要的PSRR将取决于用电源轨供电的ADC、DAC和放大器等元件的PSRR。一般而言,由于静态电流较高,PSRR越高,LDO稳压器的效率越低。76Cednc

CN-0345CN-0385是两个通过使用ADP5070实施此解决方案的参考设计示例。这些设计用于使用精密ADC(如18/20位AD4003/AD4020)进行精密多通道数据采集。在CN-0345中,LC储能电路用于从ADP5070过滤开关纹波,代替使用LDO稳压器,如图1所示。在参考设计CN-0385中,在ADP5070后面使用正负电压LDO稳压器(ADP7118ADP7182)过滤开关纹波。使用ADP5070对AD5791等双极性20位精密DAC供电的示例可在此处的评估板用户指南中找到。76Cednc

这些示例说明在使用ADP5070等开关稳压器在数据采集和精密供电/源等应用中生成双极性电源时,如何保持高精密性能。76Cednc

隔离双极性电源

出于安全原因需要隔离精密测试和测量仪器时,通过隔离器件有效的提供充足供电将是一个挑战。在多通道隔离仪器中,通道间隔离意味着每个通道都要有一个电源解决方案。这就需要一个紧凑的电源解决可以提供有效的供电。图2显示使用双极性供电轨提供隔离电源的解决方案。76Cednc

76Cednc

2.具有低电源纹波的隔离双极性电源系统的电源解决方案。76Cednc

ADuM3470LTM8067使我们能够跨越隔离在5 V隔离输出端高效提供达~400 mA的电源。LTM8067是µModule解决方案,集成了变压器和其他简化隔离电源解决方案设计和布局的元件,同时最大限度地减少了PCB尺寸和物料清单。LTM8067隔离高达2 kV rms。为了获得更低的输出纹波,LTM8068集成了输出LDO稳压器,以300 mA的更低输出电流为代价,将输出纹波从30 mV rms减少到20 μV rms。76Cednc

ADuM3470系列使用外部变压器提供隔离电源,同时集成数字隔离通道用于对ADC和DAC进行数据传输和控制。根据隔离解决方案的配置方式,隔离电源输出可以沿用类似图1的电源解决方案,如图2所示从单个正电源在隔离侧生成±15 V电源轨。或者,ADuM3470设计也可配置为直接生成双极电源,无需额外开关级。这就以效率为代价获得更小的PCB面积解决方案。ADuM3470可隔离高达2.5 kV rms,而ADuM4470系列可用于高达5 kV rms的更高电平的电压隔离。76Cednc

CN-0385是实施ADuM3470解决方案的参考设计示例,如图2所示。ADP5070在隔离侧用于从隔离的5.5 V生成双极性±16 V电源轨。ADuM3470中也包括此参考设计使用的数字隔离通道。使用ADuM3470的类似设计为CN-0393。这是基于ADAQ7980/ADAQ7988 μModule ADC的多通道隔离数据采集系统。 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以直接生成±16.5 V电压,无需额外稳压器级。这允许以降低效率为代价获得空间较小的解决方案。类似解决方案如CN-0292中所示,这是一个基于AD7176 ∑-Δ ADC的4通道数据采集解决方案,以及如CN-0233中所示,其中突出显示了16位双极性DAC的相同隔离电源解决方案。76Cednc

这些示例显示如何提供隔离电源,以实现隔离数据采集或隔离电源的精密性能,同时保持较小的PCB尺寸或高电源效率。76Cednc

有效降压和低噪声的

Silent Switcher架构76Cednc

在图1所示的电源方案中,LDO稳压器用于从15 V电压降至5 V/3.3 V电压。这并非是生成这些低电压轨非常有效的方式。使用Silent Switcher、μModule稳压器LTM8074提高降至更低电压的高效率解决方案如图3所示。76Cednc

76Cednc

3.在低EMI的情况下将电压降至更低电压轨的电源解决方案。76Cednc

LTM8074是采用小型4 mm × 4 mm尺寸BGA封装的Silent Switcher、µModule降压稳压器,能够以低辐射噪声提供高达1.2 A电流。Silent Switcher技术可以抵消开关电流产生的杂散场,由此减少传导和辐射噪声。此µModule设备效率高且具有极低的辐射噪声,因此是为噪声敏感精密信号链供电的绝佳选择。根据连接到放大器、DAC或ADC等由电源供电元件的PSRR,也许可以从Silent Switcher输出端直接为其供电,无需LDO稳压器进一步过滤电源纹波,而传统开关需要这样做。1.2 A的高输出电流也意味着在需要的情况下,它可用于为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应用,同时简化并加速开关稳压器电源的设计和布局。76Cednc

如果需要牺牲PCB面积进行更多定制,则可使用LT8609S等产品实现Silent Switcher设备的分立实施。这些产品包括展频模式,可在开关频率下在频段上扩散纹波能量。这可降低精密系统电源中出现的杂散的幅度。76Cednc

将Silent Switcher技术与μModule解决方案中的高集成度相结合,可应对精密应用(如多通道源表)对密度不断增长的需求的挑战,而不会影响系统设计人员需要实现的高分辨率性能水平。76Cednc

结论

为精密电子测试和测量供电的隔离双极性电源系统需要在系统性能、保持小尺寸和电源效率之间实现平衡。我们在这里展示了一些解决方案和产品,可帮助应对这些挑战,并允许系统设计人员做出正确的权衡。76Cednc

参考文献

Balat、Fil Paulo、Jefferson Eco和James Macasaet。“防止开关转换器输出浪涌引发的启动问题。”《模拟对话》,2018年1月。76Cednc

Knoth、Steve。“使用超低噪声LDO稳压器提供干净的电源。”ADI公司,2018年9月。76Cednc

Limjoco、Aldrick。“了解开关稳压器的输出伪像加快电源设计。”《模拟对话》,2014年8月。76Cednc

Luan、Austin。“低EMI、Silent Switcher、1.2 A µModule稳压器,采用4 mm76Cednc

× 4 mm × 1.82 mm BGA封装。”ADI公司,2019年1月。76Cednc

Morita、Glenn。“理解低压差稳压器(LDO)实现系统优化设计。”《模拟对话》,2014年12月。76Cednc

Obaldia、Estibaliz Sanz和James Jasper Macasaet。AN-1359应笔记,采用ADP5070的低噪声、双电源解决方案为单电源系统中的精密AD5761R双极性DAC供电。ADI公司,2016年3月。76Cednc

Tompseet、Kevin。AN-1366应用笔记,使用ADP5070/ ADP5071VOUT < VIN的情况下创建正负电压供电轨。 ADI公司,2015年7月。76Cednc

Walsh、Alan。“在功率敏感型应用中利用高效率超低功耗开关稳压器为精密SAR ADC供电。”ADI公司,2016年3月。76Cednc

作者简介

Alan Walsh是ADI公司的系统应用工程师。他于1999年加入ADI,就职于美国马萨诸塞州威明顿市的精密仪器仪表部。他拥有都柏林大学电子工程学士学位。联系方式:alan.walsh@analog.com76Cednc

  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 美国国土安全部(DHS)被曝大量购买和使用手机定位数据 据EDN电子技术设计了解,美国公民自由联盟18日发表最新文件,称美国国土安全部(DHS)使用移动定位数据来追踪人们的行动,据悉美国公民自由联盟发表的记录多达数千页,其规模远远超过之前的认知。
  • 实施增材制造以推动创新 是否可以打印?这是 3D 技术世界中真实存在的问题,其中的 3D 打印,也称为增材制造,可以通过数字化仿真输出几乎所有物品,包括汽车。
  • 用于高达10kA功率扼流圈测量的晶闸管脉冲发生器 Bs&T Frankfurt am Main GmbH公司开发了一种基于晶闸管的新型脉冲发生器,并在各种感性功率器件上进行了测试。该脉冲发生器具有一些得益于晶闸管高脉冲电流处理能力的独特特性,与基于IGBT的系统相比,它具有一些主要优势。
  • 如何评估3D音频解决方案 沉浸式3D/空间音频,与XR/360视频相结合,给您带来宛若置身于茂密深林的视听体验——飘落的细枝在脚下嘎吱作响,一头鹿向东原跑去,当您的目光追着一只红衣凤头鸟而远去时,您能听见它扇动翅膀的声音。精准的头部跟踪有助于提供逼真的用户体验(UX),了解评估解决方案的关键因素,可以帮助您在不断发展的行业中找到方向。
  • 波兰网友拆德国产无线烟感,烟雾探测原来是这样实现! 本文将展示具有433MHz RF通信的CC-80型烟雾探测器的内部,我将指出它的各个部件都有什么作用,还将解释它如何检测烟雾。
  • 示波器也在向“触摸平板”进化:泰克MSO2 我曾是一名工程师,20多年前,还在上学的时候,每当老师给我们上实验课,我们就经常会去捣鼓那些放在实验室桌子上的“宝贝疙瘩”:示波器;工作以后,更是少不了与这些“笨重”的家伙打交道。后来慢慢的淡出了工程师的行业,但是依然在工作中看到各种技术支持人员每次要测试、调试的时候,就把“笨重”的设备搬到公司的检测室或者专业检测机构,进行各种各种的测试、检测、测量。当时脑海中就出现过这样的念头:为什么不能有一款“轻量级”、“便于携带”、“操控灵活”的示波器呢?
  • 采用加速度计的地震探测器 该设备无意取代地质研究所所使用的专业模型,也无法提供对地震事件的精确测量。它有助于在不提供距离或震级的情况下被动地确定地震事件。
  • 北京大学图灵班大四学生获SRC第一名,曾发多篇EDA一作论 北京大学学计算机科学系图灵班大四学生郭资政,获得本科生组全球第一名(First Place)。郭资政的研究兴趣包括组合优化问题的数据结构、算法设计和 GPU 加速,目前已直博本校集成电路学院。
  • 多分支时钟树中的抖动分析和最小化 时钟信号的抖动是电子电路中时序问题的主要原因,这其中有几个来源。在本文中,我们分析了时钟树中抖动的类型和来源,并讨论了良好的设计实践和认真的组件选择相结合如何有助于减少抖动的影响。
  • 百元以内的高性价比万用表 万用表大致分为指针型万用表和数字型万用表,现在指针型万用表的使用已经越来越少了,工程师更多使用的是精准度更高的数字型万用表,那么百元以下有哪些功能比较全的万用表呢?
  • 微软革新可折叠手机设计:内外360度折叠,无铰链无折痕 微软准备通过一种新设计颠覆可折叠智能手机市场!微软新专利显示,一种革命性的折叠机制可使可折叠屏幕既可以向内弯曲,也可以向外弯曲,实现 360 度的折叠。该设计将直接取消铰链并解决传统折叠方法所产生的折痕问题……
  • 2022年全国高校经费统计:清华大学人均预算56.78万元,“ 近日,2022年全国高校经费统计结果出炉,前六所高校已经连续三年霸榜。整体来看,“双一流”建设高校占据绝对优势,理工科院校经费多于文科,但大部分都有所增长。此外,好几所高校预算的复合年增长率超过了30%,如“国防七子”、云南大学、南昌大学等
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了