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用于细密测试和测量体系的双极性模块电源源解决方案

标签:用于,细密,测试,测量,体系,极性,模块,电源,源源 时间:2020年02月22日 阅读14
Bipolar Power Solutions for Precision Test and Measurement Systems

作者:Alan Walsh  ADI公司

为了确保高精度,细密测试和测量体系必要具有低纹波和辐射噪声的模块电源源解决方案,从而不会降低高分辨率转换器旌旗灯号链的性能。在这些测试和测量应用中,生成双极和/或隔离体系模块电源源给体系设计人员带来了模块电源路板面积、开关纹波、EMI和服从方面的挑衅。数据采集体系和数字万用表必要低噪声模块电源源,以便提供高分辨率ADC旌旗灯号链的性能,而不被开关模块电源源产生的纹波噪声所影响。源表(SMU)和直流源/模块电源源具有类似的要求,以便将高分辨率DAC旌旗灯号链上的杂散输出纹波降至最低。细密测试和测量仪器中的通道数也有增长的趋势,以便增长并行测试。在模块电源隔离应用中,这些多通道仪器日益必要通道间隔离,其中模块电源源必须在各通道上产生。此驱动解决方案必要的PCB尺寸越来越小,同时保持性能。在这些应用中实施低噪声模块电源源解决方案可能导致PCB尺寸比期望的大,和/或因为过度使用LDO稳压器或滤波器模块电源路而导致服从变差。

例如电动调节蝶阀,在1 MHz下5 mV纹波的开关模块电源源轨必要通过LDO稳压器和ADC供模块电源特征的组合来实现60 dB或以上的模块电源源模块电源克制制比(PSRR),从而将ADC输出端的开关纹波削减到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)。

荣幸的是,可以通过μModule器件和相干元件搭建集成度更高的模块电源源解决方案来简化这项义务。例如Silent Switcher器件和高模块电源源模块电源克制制比(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服从。

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图1.具有低模块电源源纹波的非隔离双极性模块电源源体系(±15 V和±5 V)的模块电源源解决方案。

很多细密测试和测量仪器(如源表或模块电源源)必要进行多象限操作,以获取并测量正负旌旗灯号。这就必要从单个具有低噪声的正模块电源源输入有用地生成正负模块电源源。让我们以必要从单个正输入模块电源源生成双极性模块电源源的体系为例。图1表现的模块电源源解决方案可产生±15 V和±5 V并使用正负LDO稳压器过滤/削减开关纹波,以及生成5 V、3.3 V或1.8 V等其他模块电源源轨四川成都人事考试网,为旌旗灯号调理模块电源路或ADC和DAC供模块电源。

此处所示的模块电源源轨解决方案使用LTpowerCAD®中的体系设计工具设计。LTpowerCAD®设计工具是一款完备的模块电源源设计工具程序,可使用明显简化很多模块电源源产品的模块电源源设计义务。

LTM8049和ADP5070/ADP5071许可我们采用单个正输入,将其提拔为所需的正模块电源源和反转生成负模块电源源。LTM8049是μModule解决方案,可明显简化所需的元件数——只需添加输入和输出模块电源容。除了简化为开关稳压器选择元件和模块电源路板布局方面的设计挑衅,LTM8049还可最大限度地削减生成双极性模块电源源所需的PCB尺寸和物料。要在更轻负载(<~100 mA)下提供高服从,ADP5070/ADP5071是更好的选择。尽管ADP5070解决方案必要更多的外部元件,例如模块电源感和二极管,但它许可对模块电源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。这些稳压器在负载模块电源流为数百mA时的高服从使其成为细密仪器模块电源源的理想之选。

LT3032在单个封装中集成了正负模块电源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、正模块电源压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)操作以实现最高服从,同时提供优秀的开关模块电源源的纹波克制。两个LDO稳压器都采用小型LFCSP封装,可削减PCB尺寸和简化物料清单。假如LDO稳压器必要更高的PSRR来进一步削减MHz范围内的开关纹波,则应考虑LT3094/LT3045等LDO稳压器。选择LDO级中所必要的PSRR将取决于用模块电源源轨供模块电源的ADC、DAC和放大器等元件的PSRR。一样平常而言,因为静态模块电源流较高,PSRR越高,LDO稳压器的服从越低。
CN-0345和CN-0385是两个通过使用ADP5070实施此解决方案的参考设计示例。这些设计用于使用细密ADC(如18/20位AD4003/AD4020)进行细密多通道数据采集。在CN-0345中,LC储能模块电源路用于从ADP5070过滤开关纹波,代替使用LDO稳压器四川人事考试网报名,如图1所示。在参考设计CN-0385中,在ADP5070后面使用正负模块电源压LDO稳压器(ADP7118和ADP7182)过滤开关纹波。使用ADP5070对AD5791等双极性20位细密DAC供模块电源的示例可在此处的评估板用户指南中找到。

这些示例说明在使用ADP5070等开关稳压器在数据采集和细密供模块电源/源等应用中生成双极性模块电源源时,如何保持高细密性能。

隔离双极性模块电源源

出于安全缘故原由必要隔离细密测试和测量仪器时,通过隔离器件有用的提供足够供模块电源将是一个挑衅。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模块电源源解决方案。这就必要一个紧凑的模块电源源解决可以提供有用的供模块电源。图2表现使用双极性供模块电源轨提供隔离模块电源源的解决方案。

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图2.具有低模块电源源纹波的隔离双极性模块电源源体系的模块电源源解决方案。

ADuM3470和LTM8067使我们能够跨越隔离在5 V隔离输出端高效提供达~400 mA的模块电源源。LTM8067是μModule解决方案,集成了变压器和其他简化隔离模块电源源解决方案设计和布局的元件,同时最大限度地削减了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的更低输出模块电源流为代价,将输出纹波从30 mV rms削减到20 μV rms。

ADuM3470系列使用外部变压器提供隔离模块电源源,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体例,隔离模块电源源输出可以相沿类似图1的模块电源源解决方案,如图2所示从单个正模块电源源在隔离侧生成±15 V模块电源源轨。或者,ADuM3470设计也可配置为直接生成双极模块电源源,无需额外开关级。这就以服从为代价获得更小的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的更高模块电源平的模块电源压隔离。

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模块电源源轨。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体系。 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模块电源压,无需额外稳压器级。这许可以降低服从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,其中凸起表现了16位双极性DAC的雷同隔离模块电源源解决方案。

这些示例表现如何提供隔离模块电源源,以实现隔离数据采集或隔离模块电源源的细密性能,同时保持较小的PCB尺寸或高模块电源源服从。

有用降压和低噪声的Silent Switcher架构

在图1所示的模块电源源方案中,LDO稳压器用于从15 V模块电源压降至5 V/3.3 V模块电源压。这并非是生成这些低模块电源压轨特别很是有用的体例。使用Silent Switcher、μModule稳压器LTM8074进步降至更低模块电源压的高服从解决方案如图3所示。

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图3.在低EMI的情况下将模块电源压降至更低模块电源压轨的模块电源源解决方案。

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模块电源流。Silent Switcher技术可以抵消开关模块电源流产生的杂散场,由此削减传导和辐射噪声。此μModule设备服从高且具有极低的辐射噪声,因此是为噪声敏感细密旌旗灯号链供模块电源的绝佳选择。根据连接到放大器、DAC或ADC等由模块电源源供模块电源元件的PSRR,大概可以从Silent Switcher输出端直接为其供模块电源,无需LDO稳压器进一步过滤模块电源源纹波,而传统开关必要如许做。1.2 A的高输出模块电源流也意味着在必要的情况下,它可用于为FPGA等体系中的数字硬件供模块电源。LTM8074的小尺寸和高集成度使其特别很是适合空间受限应用,同时简化并加速开关稳压器模块电源源的设计和布局。

假如必要捐躯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。这可降低细密体系模块电源源中出现的杂散的幅度。

将Silent Switcher技术与μModule解决方案中的高集成度相结合,可应对细密应用(如多通道源表)对密度赓续增加的需求的挑衅,而不会影响体系设计人员必要实现的高分辨率性能水平。

结论

为细密模块电源子测试和测量供模块电源的隔离双极性模块电源源体系必要在体系性能、保持小尺寸和模块电源源服从之间实现平衡。我们在这里展示了一些解决方案和产品,可帮助应对这些挑衅,并许可体系设计人员做出精确的权衡。

参考文献

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Knoth、Steve。“使用超低噪声LDO稳压器提供干净的模块电源源。”ADI公司,2018年9月。

Limjoco、Aldrick。“了解开关稳压器的输出伪像,加快模块电源源设计。”《模仿对话》,2014年8月。

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

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

Morita、Glenn。“理解低压差稳压器(LDO),实现体系优化设计。”《模仿对话》,2014年12月。

Obaldia、EstibalizSanz和James Jasper Macasaet。AN-1359应用笔记,采用ADP5070的低噪声、双模块电源源解决方案为单模块电源源体系中的细密AD5761R双极性DAC供模块电源。ADI公司,2016年3月。

Tompseet、Kevin。AN-1366应用笔记,使用ADP5070/ ADP5071VOUT < VIN的情况下创建正负模块电源压供模块电源轨。 ADI公司,2015年7月。

Walsh、Alan。“在功率敏感型应用中行使高服从、超低功耗开关稳压器为细密SAR ADC供模块电源。”ADI公司,2016年3月。


作者简介


Alan Walsh是ADI公司的体系应用工程师。他于1999年加入ADI,就职于美国马萨诸塞州威明顿市的细密仪器仪表部。他拥有都柏林大学模块电源子工程学士学位。联系体例:alan.walsh@analog3564。




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