用于精密測試和測量系統的雙極性電源解決方案

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水平的電源解決方案，以免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，產生雙極性和/或隔離的系統電源在電路板面積、開關紋波、EMI和效率方面給系統設計人員帶來了挑戰(zhàn)。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，而不會受到開關電源的雜散紋波音的破壞。源測量單元和直流源/電源對最小化高分辨率DAC信號鏈上的雜散輸出紋波有類似的要求。在精密測試和測量儀器中，還有一種趨勢是通道數增加，以增加并行測試。在電氣隔離應用中，這些多通道儀器對通道間隔離的需求越來越大，其中必須基于每個通道產生功率。這推動了需要越來越小的PCB尺寸同時保持性能的解決方案。在這些應用中實施低噪聲電源解決方案可能會導致PCB占位面積大于預期和/或過度使用LDO穩(wěn)壓器或濾波電路而導致電源效率低下。

例如，在1 MHz時紋波為5 mV的開關電源軌需要LDO穩(wěn)壓器和供電ADC的組合電源抑制比（PSRR）為60 dB或更高，以將ADC輸出端的開關紋波降至5 μV或更低。對于高分辨率18位ADC，這只是LSB的一小部分。

幸運的是，有一些解決方案通過與μModule器件和組件的更高水平的電源解決方案集成來簡化這項任務，這些器件和組件在降低輻射噪聲和開關紋波的同時提供了更高的效率，例如靜音開關器件和高電源抑制比（PSRR）LDO穩(wěn)壓器。??

許多精密測試和測量儀器（如源測量單元或電源）需要多象限操作來源和測量正負信號。這要求從單個正電源輸入以低噪聲和高效方式產生負電源和正電源。讓我們考慮一個需要從單個正輸入電源產生雙極性電源的系統。圖1顯示了產生±15 V和±5 V電源解決方案，并使用正負LDO穩(wěn)壓器濾除/降低開關紋波，并產生5 V、3.3 V或1.8 V等附加電源軌，為信號調理電路或ADC和DAC供電。

圖1.用于非隔離式雙極性電源系統（±15 V 和 ±5 V）的電源解決方案，具有低電源紋波。

此處顯示的電源軌解決方案是使用系統設計器設計的，可在LTpowerCAD?.LTpowerCAD設計工具是一個完整的電源設計工具程序，可以顯著簡化許多電源產品的電源設計任務。?

LTM8049 和 ADP5070 / ADP5071 允許我們獲取單個正輸入，將其升壓至所需的正電源，然后反相以產生負電源軌。LTM8049 是一款 μModule 解決方案，它大大簡化了實現此目的所需的組件數量 — 我們只需要添加輸入和輸出電容器即可。除了簡化開關穩(wěn)壓器組件選擇和電路板布局方面的設計挑戰(zhàn)外，LTM8049 還最大限度地減少了產生雙極性電源所需的 PCB 占板面積和物料清單。當需要較輕負載（<~100 mA）時的效率時，ADP5070/ADP5071是更好的選擇。雖然ADP5070解決方案需要更多的外部元件，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 均具有同步引腳，可用于將開關頻率與 ADC 的時鐘同步，以避免在 ADC 的敏感時間段內切換內部 FET。這些穩(wěn)壓器在幾 100 mA 負載電流下的高效率使其成為精密儀器電源的理想選擇。

LT3032 在具有寬工作范圍的單個封裝中集成了一個正低噪聲和負低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器。LT3023 集成了兩個具有寬工作范圍的低噪聲、正 LDO 穩(wěn)壓器。兩個LDO穩(wěn)壓器均配置為以最小的裕量（~0.5 V）工作，以最大限度地提高效率，同時從開關穩(wěn)壓器級提供良好的紋波抑制。兩款LDO穩(wěn)壓器均采用小型LFCSP封裝，可減小PCB占板面積并簡化物料清單。如果LDO穩(wěn)壓器需要更高級別的PSRR以進一步降低MHz范圍內的開關紋波，則應考慮使用LDO穩(wěn)壓器，如LT3094 / LT3045。LDO級所需的PSRR取決于元件的PSRR，如由電源軌供電的ADC、DAC和放大器。通常，由于靜態(tài)電流較高，PSRR LDO穩(wěn)壓器的效率較低。

CN-0345和CN-0385是使用ADP5070實現該解決方案的兩個參考設計示例。這些設計適用于使用精密ADC（如18/20位AD4003/AD4020）進行精密多通道數據采集。在CN-0345中，使用LC諧振電路濾除來自ADP5070的開關紋波，而不是使用LDO穩(wěn)壓器，如圖1所示。在參考設計CN-0385中，在ADP5070之后使用正和負LDO穩(wěn)壓器（ADP7118和ADP7182）來濾除開關紋波。使用ADP5070為AD5791等雙極性20位精密DAC供電的示例，請參見此處的評估板用戶指南。

這些示例展示了在數據采集和精密電源/源等應用中使用ADP5070等開關穩(wěn)壓器產生雙極性電源時，如何保持高水平的精密性能。

隔離式雙極性電源

當精密測試和測量儀器出于安全原因需要隔離時，這給通過隔離柵高效提供足夠功率帶來了挑戰(zhàn)。在 多 通道 隔離 儀器 中， 通道 間 隔離 表示 每 通道 的 電源 解決 方案。這就需要一種能夠高效供電的緊湊型電源解決方案。圖2顯示了利用雙極性電源軌提供隔離電源的解決方案。

圖2.用于隔離式雙極性電源系統的電源解決方案，具有低電源紋波。

ADuM3470和LTM8067允許我們在5 V隔離輸出下高效通過隔離柵提供高達~400 mA的功率。LTM8067 是一款集成了變壓器和其他組件的 μModule 解決方案，可簡化隔離式電源解決方案的設計和布局，同時最大限度地減小 PCB 占板面積和物料清單。LTM8067可隔離高達2 kV rms的電壓。為實現更低的輸出紋波，LTM8068集成了一個輸出LDO穩(wěn)壓器，可將輸出紋波從30 mV rms降至20 μV rms，但輸出電流較低至300 mA。

ADuM3470系列使用外部變壓器提供隔離電源，同時還集成數字隔離通道，用于ADC和DAC的數據傳輸和控制。根據隔離解決方案的配置方式，隔離電源輸出之后可以采用類似于圖1的電源解決方案，如圖2所示，從單個正電源在隔離側產生±15 V電源軌?；蛘?，ADuM3470設計可配置為直接產生雙極性電源，無需額外的開關級。這導致以犧牲效率為代價的更小的PCB面積解決方案。ADuM3470的隔離電壓高達2.5 kV rms，但ADuM4470系列可用于高達5 kV rms的更高級別的電壓隔離。

CN-0385是實現ADuM3470解決方案的參考設計示例，如圖2所示。ADP5070采用隔離側，從隔離式5.5 V電源軌產生雙極性±16 V電源軌。該參考設計利用了ADuM3470中包含的數字隔離通道。使用ADuM3470的類似設計是CN-0393。這是一款基于ADAQ7980/ADAQ7988 μModule ADC的組隔離數據采集系統。在此設計中，ADuM3470配置了一個外部變壓器和肖特基二極管全波整流器，可直接產生±16.5 V電壓，無需額外的穩(wěn)壓器級。這允許以較低的效率為代價實現更小的占地面積解決方案。CN-0292（基于AD7176 Σ-Δ ADC的4通道數據采集解決方案）和CN-0233（重點介紹了16位雙極性DAC的相同隔離電源解決方案）給出了類似的解決方案。

這些示例展示了如何在隔離式數據采集或隔離式電源中提供隔離電源以實現精密性能水平，同時保持較小的PCB占位面積或高水平的電源效率。

靜音切換器架構，高效降壓，低噪聲

在圖1所示的電源方案中，LDO穩(wěn)壓器用于從15 V降壓至5 V/3.3 V。這不是產生這些低壓軌的非常有效的方法。圖3顯示了使用靜音開關μModule穩(wěn)壓器LTM8074提高降壓至較低電壓效率的解決方案。

圖3.用于降壓至低 EMI 的較低電壓軌的電源解決方案。

LTM8074是一款靜音開關、μModule降壓型穩(wěn)壓器，采用小型4 mm×4 mm基底面BGA封裝，能夠提供高達1.2 A的電流和低輻射噪聲。靜音開關技術可消除開關電流產生的雜散場，從而降低傳導和輻射噪聲。該μModule器件的高效率和極低的輻射噪聲使其成為為噪聲敏感型精密信號鏈供電的理想選擇。根據連接到輸出電源的元件（如放大器、DAC或ADC）的PSRR，可以直接從靜音開關穩(wěn)壓器輸出為其供電，而無需像傳統開關穩(wěn)壓器那樣使用LDO穩(wěn)壓器來進一步濾除電源紋波。其 1.2 A 的高輸出電流也意味著如果需要，它可用于為 FPGA 等系統中的數字硬件供電。LTM8074 的小占板面積和高集成度使其成為空間受限型應用的理想選擇，同時簡化并加快了開關穩(wěn)壓器電源的設計和布局。

如果需要以犧牲PCB面積為代價進行更大的定制，則可以通過使用LT8609S等產品來實現靜音開關器件的分立實現。這些產品包括擴頻模式，用于將開關頻率處的紋波能量分散到一個頻帶上。這降低了電源在精密系統中出現的雜散音調的幅度。

靜音開關穩(wěn)壓器技術與μModule解決方案中的高集成度相結合，解決了精密應用（如多通道源測量單元）密度需求不斷增加的挑戰(zhàn)，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

生成具有隔離的雙極性電源系統，用于精密電子測試和測量，可以在系統性能、保持小尺寸和電源效率之間取得平衡。在這里，我們展示了有助于應對這些挑戰(zhàn)并允許系統設計人員做出正確權衡的解決方案和產品。

審核編輯：郭婷