双极性电源解决方案用于精密测试和测量系统.doc

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1、 双极性电源解决方案用于精密测试和测量系统为了确保高精度，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

2、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。例如，在1MHz下5mV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60dB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5V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）。幸运的是，可以通过Module?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SilentSwitcher?器件和高电源电压抑制比

3、(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。图1.具有低电源纹波的非隔离双极性电源系统（15V和5V）的电源解决方案。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15V和5V并使用正负LDO稳压器过滤/减少开关纹波，以及生成5V、3.3V或1.8V等其他电源轨，为信号调理电路或ADC和DAC供电。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。LTpowe

4、rCAD?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。LTM8049和ADP5070/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Module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(100mA)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。AD

5、P5070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。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(0.5V)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/LT3

6、045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。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（ADP7118和ADP7182）过滤开关纹波。使用ADP5070

7、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。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。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。图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。ADuM3470和LTM8067使我们能够跨越隔离在5V隔离输出端高效提供达400mA的

8、电源。LTM8067是?Module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2kVrms。为了获得更低的输出纹波，LTM8068集成了输出LDO稳压器，以300mA的更低输出电流为代价，将输出纹波从30mVrms减少到20Vrms。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15V电源轨。或者，ADuM3470设计也可配置为直接生成双极电

9、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2.5kVrms，而ADuM4470系列可用于高达5kVrms的更高电平的电压隔离。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5.5V生成双极性16V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/ADAQ7988ModuleADC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16.5V电压，无需

10、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-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。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。有效降压和低噪声的SilentSwitcher架构在图1所示的电源方案中，LDO稳压器用于从15V电压降至5V/3.3V电压。这并非是生成这些低电压轨非常有效的方式。使用SilentSwitcher、Module稳压器LTM8074提高降至更低电压的高效

11、率解决方案如图3所示。图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。LTM8074是采用小型4mm4mm尺寸BGA封装的SilentSwitcher、?Module降压稳压器，能够以低辐射噪声提供高达1.2A电流。SilentSwitcher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?Module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SilentSwitcher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。1.2A的高输出电流

12、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。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SilentSwitcher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。将SilentSwitcher技术与Module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。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。7