信號鏈的電源管理如何選？

信號鏈精度是轉(zhuǎn)換器性能的關(guān)鍵考核指標，毋庸置疑，電路設(shè)計中電源質(zhì)量對精度的影響起到舉足輕重的作用。一般而言，電源質(zhì)量以噪聲大小進行衡量，而電源拓撲及其架構(gòu)又與電源噪聲密不可分。本文將各種電源構(gòu)架及其特點做詳細闡述，同時從實際案例需求出發(fā)，解析電源選擇的適配性。

電源噪聲會影響信號鏈的處理增益，而處理增益本質(zhì)上意味著以轉(zhuǎn)換器支持的精度從不相關(guān)的噪聲中提取盡可能多的有用信息，實際上處理過程中獲得的信息永遠不會比使用原始樣本數(shù)據(jù)獲得的信息多，這也是有效位數(shù)的概念?？偠灾?，精度、采樣率、有效位數(shù)、有效帶寬幾者之間有不可分割的關(guān)系。

如圖1所示，假設(shè)選擇 24 位 5MSPS SAR 轉(zhuǎn)換器，希望查看1MHz左右的信號，對此進行分析：24位的動態(tài)范圍是144dB，頻譜分析儀圖中得到儀器本底噪聲約為133dB，可以實現(xiàn)大約22位精度。若使用單電感多輸出或SIMO轉(zhuǎn)換器，輸出紋波約為115dB，或大約19位，根據(jù)電源抑制比將獲得19至22位的有效位數(shù)。若4倍耐奎斯特頻率才能換回1bit，如果有無限PSRR，使用16倍過采樣以換回2bits的話，目標帶寬將被限制為312kHz，無PSRR的話將需要80倍過采樣，那么有效帶寬約為62.5kHz，而我們的目標帶寬是1MHz。由此可見，電源質(zhì)量對于信號鏈精度和帶寬真的很重要。

圖1. 電源質(zhì)量VS 有效位數(shù)VS 有效帶寬

新鮮方案，歡迎下載

ADI 推出解決方案《信號鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計所需的所有精度》，將各種電源構(gòu)架及其特點做詳細闡述，同時從實際案例需求出發(fā)，解析電源選擇的適配性。掃碼即可下載~

? ?

掃碼下載最新解決方案

【ADI信號鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計所需的所有精度】

以信號是否被隔離角度劃分，轉(zhuǎn)換器分為非隔離型和隔離型兩大類，表1示例了常見的轉(zhuǎn)換器類型。電路類型不同，轉(zhuǎn)換特點不同，節(jié)點噪聲也各有特點。非隔離拓撲主要構(gòu)成元件為電感、開關(guān)管和電容；隔離拓撲主要構(gòu)成為變壓器、開關(guān)管和電容。

LDO是線性轉(zhuǎn)換器，并未添加至如下拓撲類型中。負載電流較小，如十幾或幾十mA，輸入加電壓差大于最高供電軌的應(yīng)用情況下會使用LDO，但LDO不能產(chǎn)生負電壓軌。低頻時，LDO具有很好的噪聲性能。

表1. 轉(zhuǎn)換器拓撲概述

非隔離型

降壓型轉(zhuǎn)換器（Buck）

降壓型轉(zhuǎn)換器（Buck）降壓型轉(zhuǎn)換器V_IN總是大于V_OUT，由于最小占空比限制的存在，在給定的工作頻率下無法實現(xiàn)大壓差轉(zhuǎn)換，比如50V轉(zhuǎn)換至1V的情況。

如圖2所示，不同顏色標示了轉(zhuǎn)換器因開關(guān)管開通與關(guān)斷產(chǎn)生的電流路徑，用不同顏色標示幾個環(huán)路，分別用紅色，藍色，橙色和綠色表示：

圖2.降壓型轉(zhuǎn)換器

• 紅色環(huán)路：控制開關(guān)管S1導(dǎo)通時的電流路徑。輸入端有開關(guān)與之串聯(lián)，故輸入端口為高噪聲節(jié)點；

• 藍色環(huán)路：控制開關(guān)管S1斷開、開關(guān)管S2導(dǎo)通時的電流路徑。輸出端與二階LC濾波器串聯(lián)，故此節(jié)點噪聲較低；

• 橙色節(jié)點：開關(guān)管S1和S2的高頻切換使得此節(jié)點產(chǎn)生高頻電壓交替變化，故此節(jié)點會產(chǎn)生高頻輻射，PCB布局時需保持盡可能小的尺寸；

• 綠色環(huán)路：此環(huán)路一般稱為熱環(huán)路，也稱為高di/dt環(huán)路。對于降壓轉(zhuǎn)換器，它的輸入側(cè)是熱環(huán)路。該環(huán)路存在快速邊沿切換的電流，時域中的邊沿跳變相當于頻域中的廣泛頻譜，因此，為避免高頻噪聲，PCB布局時應(yīng)最大程度的減少該環(huán)路的物理尺寸。

降壓型轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用場景為：

1. 輸入范圍較寬；

2. 系統(tǒng)希望的效率遠大于LDO可提供的效率；

3. 系統(tǒng)需要干凈的輸出。

對于內(nèi)部補償?shù)慕祲盒推骷斦伎毡冗h大于50%時對其進行補償可能很棘手，同時我們還希望避免出現(xiàn)低頻振蕩。

推薦型號

• LT8618：65V_IN/100mA，小尺寸，同步

• LT8604C：42V_IN/120mA，小尺寸，同步

• MAX17530：42V_IN/25mA，超小小型器件，寬輸入電壓范圍，同步

• LT8609S：42V_IN/2A，獨特的 Silent Switcher 2 架構(gòu)

Tips

LT8618、LT8604C均可在 ADI 中國在線商城 直接下單采購。

ADI 中國在線商城采用現(xiàn)貨銷售，購物車可按整包或片數(shù)自定義輸入產(chǎn)品數(shù)量，人民幣結(jié)算系統(tǒng)支持國內(nèi)多種主流線上支付方式幫您輕松免除報關(guān)煩惱。

升壓型轉(zhuǎn)換器（Boost）

升壓型轉(zhuǎn)換器的V_IN總是小于V_OUT。由于最大占空比限制的存在，使用者無法獲得想要的任意高電壓。

如圖3所示，升壓型拓撲中S2是控制開關(guān)，與降壓型拓撲較為類似，表現(xiàn)為在X軸上進行了翻轉(zhuǎn)。輸入端與LC濾波器串聯(lián)，故輸入節(jié)點為安靜節(jié)點，而輸出端與開關(guān)串聯(lián)，因此會產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲。

圖3.升壓型轉(zhuǎn)換器

一般而言，負載需要的電壓高于輸入電壓或希望創(chuàng)建較高的中間總線電壓時會選擇升壓型轉(zhuǎn)換器。升壓型電路設(shè)計時應(yīng)使輸出熱環(huán)路尺寸盡可能小以降低輻射噪聲。另外，需要注意的是反饋節(jié)點，反饋產(chǎn)生的輸出電壓可能高至足以破壞開關(guān)以及下游任何器件的程度，若反饋節(jié)點短路，電路會受到破壞性電壓的影響。

推薦型號

• LT8330：60V/1A（開關(guān)），小尺寸，非同步升壓轉(zhuǎn)換器

• LT3461：40V/250mA（開關(guān)），小尺寸，集成肖特基二極管

• LT8410：42V/25mA（開關(guān)），超小尺寸，同步升壓轉(zhuǎn)換器

• LT8338：40V/1.2A（開關(guān)），小尺寸，同步升壓轉(zhuǎn)換器

Tips

LT8330、LT3461、LT8410、LT8338均可在 ADI 中國在線商城直接下單采購。

ADI 中國在線商城采用現(xiàn)貨銷售，購物車可按整包或片數(shù)自定義輸入產(chǎn)品數(shù)量，人民幣結(jié)算系統(tǒng)支持國內(nèi)多種主流線上支付方式幫您輕松免除報關(guān)煩惱。

SEPIC轉(zhuǎn)換器 Cuk轉(zhuǎn)換器 反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

篇幅限制，以上轉(zhuǎn)換器的介紹及型號推薦，請下載解決方案《信號鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計所需的所有精度》查看完整文檔。

? ?

掃碼下載

隔離型

反激式轉(zhuǎn)換器（Flyback）

反激式是基于升壓的拓撲結(jié)構(gòu)而建立，不同點是通過變壓器實現(xiàn)隔離，占空比約束發(fā)生變化，占空比與繞組比成比例，可以獲得幾乎任何V_IN/V_OUT比。

如圖7所示，反激型有兩個熱環(huán)路，一個在輸入端，一個在輸出端，這些環(huán)路需要最小化，而變壓器的大小有時會使這一任務(wù)具有挑戰(zhàn)性。開關(guān)節(jié)點會產(chǎn)生很大的反激脈沖，反激脈沖與輸出電流成比例，需要調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)進行緩沖，并且這些元件有時也會有輻射。

圖7.反激式轉(zhuǎn)換器

后平面和熱側(cè)之間需要直流隔離時，用于現(xiàn)場或儀器控制中，可以使用反激型。當需要隔離也可以使用反激型，但輸入輸出范圍必須比較寬，例如產(chǎn)生數(shù)百伏或數(shù)千伏電壓。該拓撲往往含有較高的共模漏電流，因此，在具有安全標準額定值的系統(tǒng)中使用時需要注意這一點。

由于輸出脈沖無固有連接，因此，對于任何極性甚至帶有額外繞組的多個極性，任何一個節(jié)點都可以是次級側(cè)。另外，非光學(xué)反饋器件的電壓和負載調(diào)整往往比直接反饋更為柔和。

推薦型號

• LT8301：非光學(xué)/單片，42V/6W

• LT3511：非光學(xué)/單片，100V/2.5W

• LTC3803：非光學(xué)/控制器，75V/15W

• LT3001：非光學(xué)/單片，36V/4W

Tips

LT8301、LT3511、LT3803、LT3001均可在 ADI 中國在線商城直接下單采購。

ADI 中國在線商城采用現(xiàn)貨銷售，購物車可按整包或片數(shù)自定義輸入產(chǎn)品數(shù)量，人民幣結(jié)算系統(tǒng)支持國內(nèi)多種主流線上支付方式幫您輕松免除報關(guān)煩惱。

推挽式轉(zhuǎn)換器

同反激式拓撲一樣，推挽型拓撲也是使用變壓器調(diào)整輸出，但是這種拓撲的工作方式?jīng)Q定了其占空比最大值為50%。

如圖8所示，推挽型有兩個開關(guān)節(jié)點，次級側(cè)存在與輸出串聯(lián)的LC濾波器，因此當需要安靜的輸出時此拓撲很有用，這使它很受需要隔離的信號鏈應(yīng)用的歡迎。輸入側(cè)有一個熱環(huán)路，所示的簡化模型顯示了循環(huán)熱環(huán)路，每一次傳導(dǎo)的時間是一半，因此，熱環(huán)路實際上是兩個半周期環(huán)路的疊加。

圖8. 推挽式轉(zhuǎn)換器

當需要直流隔離同時希望降低輸出噪聲和共模漏電流時，通常會選擇推挽型結(jié)構(gòu)。與此拓撲相關(guān)的考慮是占空比限制，若總線變化，可能會導(dǎo)致次級側(cè)偏差，而占空比鉗位在50%。另外，用于此拓撲的變壓器有時可能較大，相對于傳輸相同功率量的反激型而言，推挽電路具有較低共模漏電流。

推薦型號：

• LT3999：可編程電流限值，F(xiàn)sync最高1MHz，2.7V-36V_IN/雙通道1A（開關(guān)）

• MAX13253：低噪聲控制的擺率，250/600KHz，帶擴頻，3.0V/5.5V_IN/雙通道1A（開關(guān)）

• MAX256：簡單的低噪聲隔離，3.3V/5V_IN – 3W

Tips

LT3999可在 ADI 中國在線商城直接下單采購。

ADI 中國在線商城采用現(xiàn)貨銷售，購物車可按整包或片數(shù)自定義輸入產(chǎn)品數(shù)量，人民幣結(jié)算系統(tǒng)支持國內(nèi)多種主流線上支付方式幫您輕松免除報關(guān)煩惱。

4開關(guān)降壓-升壓式轉(zhuǎn)換器

篇幅有限，4開關(guān)降壓-升壓式轉(zhuǎn)換器的介紹及型號推薦，請下載解決方案《信號鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計所需的所有精度》查看完整文檔。

? ?

掃碼下載

電源樹

了解了基本轉(zhuǎn)換類型及噪聲與輸入和輸出的關(guān)系后，需要考慮如何在系統(tǒng)中將這些類型靈活應(yīng)用、整合且建立一個完整的電源系統(tǒng)。一般做法是畫出系統(tǒng)示意圖，也稱為電源樹，按照系統(tǒng)化方法進行分解和分析，確定電源方案合理性。

建立電源樹時需要確定系統(tǒng)的輸入電壓特點，固定輸入還是有較寬輸入范圍？需要確定系統(tǒng)信號鏈需要的電源特點，正電壓還是負電壓？電流的消耗多大？預(yù)期噪聲水平和在信號鏈中需要的最高精度等。

ADI提供設(shè)計工具Power CAD幫助使用者進行假設(shè)分析和迭代設(shè)計，助力提供合理的電源方案。

解決方案《信號鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計所需的所有精度》中分享了2個案例研究，案例1研究了轉(zhuǎn)換器的噪聲特性，比如電荷泵在輸入端和輸出端都有高噪聲；再是清楚設(shè)計優(yōu)先級，比如雖然降壓轉(zhuǎn)換器的效率會更高，但對于功耗只有幾毫安的應(yīng)用，效率差異不會轉(zhuǎn)化為很多熱量，LDO更為適宜。案例2中噪聲最受關(guān)注，因此必須使用LDO，同時又有升壓要求，故選用LDO和升壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)最低輸出噪聲。但不足之處是此方案使用了3個升壓轉(zhuǎn)換器和4個LDO。

……

完整的案例研究及分析，請掃碼下載解決方案《信號鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計所需的所有精度》進行查看。

? ?

掃碼下載最新解決方案

【ADI信號鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計所需的所有精度】

點擊分享，一起進階