信號鏈的電源管理選擇——保持設計所需的所有精度
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信號鏈精度是轉換器性能的關(guān)鍵考核指標，毋庸置疑，電路設計中電源質(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(jìn)行衡量，而電源拓撲及其架構又與電源噪聲密不可分。本文將各種電源構架及其特點(diǎn)做詳細闡述，同時(shí)從實(shí)際案例需求出發(fā)，解析電源選擇的適配性。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202307/449120.htm電源噪聲會(huì )影響信號鏈的處理增益，而處理增益本質(zhì)上意味著(zhù)以轉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(shí)際上處理過(guò)程中獲得的信息永遠不會(huì )比使用原始樣本數據獲得的信息多，這也是有效位數的概念?？偠灾?，精度、采樣率、有效位數、有效帶寬幾者之間有不可分割的關(guān)系。
如圖1所示，假設選擇24位5MSPS SAR轉換器，希望查看1MHz左右的信號，對此進(jìn)行分析：24位的動(dòng)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(shí)現大約22位精度。若使用單電感多輸出或SIMO轉換器，輸出紋波約為115dB，或大約19位，根據電源抑制比將獲得19至22位的有效位數。若4倍耐奎斯特頻率才能換回1bit，如果有無(wú)限PSRR，使用16倍過(guò)采樣以換回2bits的話(huà)，目標帶寬將被限制為312kHz，無(wú)PSRR的話(huà)將需要80倍過(guò)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(jiàn)，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VS 有效帶寬
以信號是否被隔離角度劃分，轉換器分為非隔離型和隔離型兩大類(lèi)，表1示例了常見(jiàn)的轉換器類(lèi)型。電路類(lèi)型不同，轉換特點(diǎn)不同，節點(diǎn)噪聲也各有特點(diǎn)。非隔離拓撲主要構成元件為電感、開(kāi)關(guān)管和電容；隔離拓撲主要構成為變壓器、開(kāi)關(guān)管和電容。 LDO是線(xiàn)性轉換器，并未添加至如下拓撲類(lèi)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用情況下會(huì )使用LDO，但LDO不能產(chǎn)生負電壓軌。低頻時(shí)，LDO具有很好的噪聲性能。 表1. 轉換器拓撲概述 降壓型轉換器VIN總是大于VOUT，由于最小占空比限制的存在，在給定的工作頻率下無(wú)法實(shí)現大壓差轉換，比如50V轉換至1V的情況。 如圖2所示，不同顏色標示了轉換器因開(kāi)關(guān)管開(kāi)通與關(guān)斷產(chǎn)生的電流路徑，用不同顏色標示幾個(gè)環(huán)路，分別用紅色，藍色，橙色和綠色表示： 圖2. 降壓型轉換器 紅色環(huán)路：控制開(kāi)關(guān)管S1導通時(shí)的電流路徑。輸入端有開(kāi)關(guān)與之串聯(lián)，故輸入端口為高噪聲節點(diǎn)； 藍色環(huán)路：控制開(kāi)關(guān)管S1斷開(kāi)、開(kāi)關(guān)管S2導通時(shí)的電流路徑。輸出端與二階LC濾波器串聯(lián)，故此節點(diǎn)噪聲較低； 橙色節點(diǎn)：開(kāi)關(guān)管S1和S2的高頻切換使得此節點(diǎn)產(chǎn)生高頻電壓交替變化，故此節點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生高頻輻射，PCB布局時(shí)需保持盡可能小的尺寸； 綠色環(huán)路：此環(huán)路一般稱(chēng)為熱環(huán)路，也稱(chēng)為高di/dt環(huán)路。對于降壓轉換器，它的輸入側是熱環(huán)路。該環(huán)路存在快速邊沿切換的電流，時(shí)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(shí)應最大程度的減少該環(huán)路的物理尺寸。 降壓型轉換器的應用場(chǎng)景為：1. 輸入范圍較寬；2. 系統希望的效率遠大于LDO可提供的效率；3. 系統需要干凈的輸出。 對于內部補償的降壓型器件，當占空比遠大于50%時(shí)對其進(jìn)行補償可能很棘手，同時(shí)我們還希望避免出現低頻振蕩。 推薦型號 LT8618：65VIN/100mA，小尺寸，同步 LT8604C：42VIN/120mA，小尺寸，同步 MAX17530：42VIN/25mA，超小小型器件，寬輸入電壓范圍，同步 LT8609S：42VIN/2A，獨特的 Silent Switcher 2 架構 升壓型轉換器的VIN總是小于VOUT。由于最大占空比限制的存在，使用者無(wú)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(kāi)關(guān)，與降壓型拓撲較為類(lèi)似，表現為在X軸上進(jìn)行了翻轉。輸入端與LC濾波器串聯(lián)，故輸入節點(diǎn)為安靜節點(diǎn)，而輸出端與開(kāi)關(guān)串聯(lián)，因此會(huì )產(chǎn)生傳導噪聲。 圖3. 升壓型轉換器 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(xiàn)電壓時(shí)會(huì )選擇升壓型轉換器。升壓型電路設計時(shí)應使輸出熱環(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點(diǎn)，反饋產(chǎn)生的輸出電壓可能高至足以破壞開(kāi)關(guān)以及下游任何器件的程度，若反饋節點(diǎn)短路，電路會(huì )受到破壞性電壓的影響。 推薦型號 LT8330：60V/1A（開(kāi)關(guān)），小尺寸，非同步升壓轉換器 LT3461：40V/250mA（開(kāi)關(guān)），小尺寸，集成肖特基二極管 LT8410：42V/25mA（開(kāi)關(guān)），超小尺寸，同步升壓轉換器 LT8338：40V/1.2A（開(kāi)關(guān)），小尺寸，同步升壓轉換器 SEPIC是單端初級電感轉換器的首字母縮寫(xiě)。SEPIC轉換器的輸入VIN可以高于、等于或低于輸出VOUT，由于最大和最小占空比限制的存在，降壓和升壓的最高及最低值也會(huì )有所限制。 如圖4所示，熱環(huán)路于輸出側，存在兩個(gè)輻射開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，輸出側噪聲較高。工作于降壓模式時(shí)，降壓型輸出側安靜的特點(diǎn)并未改變，畢竟輸出側有電感的存在。 圖4. SEPIC轉換器 可以注意到電容與循環(huán)熱環(huán)路串聯(lián)，轉換器適應于輸入到輸出沒(méi)有直流短路路徑的場(chǎng)合?？梢栽赟EPIC拓撲中使用耦合電感以獲得更佳的噪聲性能。此電路基于升壓器件構建，因此即使提供降壓功能，但若反饋節點(diǎn)短路，仍然會(huì )受到破壞性電壓的影響。 Cuk轉換器根據拓撲發(fā)明人庫克而命名。Cuk電路將正電壓轉變?yōu)樨撾妷?，相當于反相拓撲結構。Cuk和SEPIC極為接近，只是輸出開(kāi)關(guān)和頂部電感交換了位置，消除了VOUT和接地連接，因此分析Cuk的方式與SEPIC雷同，只不過(guò)要在輸出電壓上添加負號。 如圖5所示，輸入和輸出均與LC濾波器串聯(lián)，并且兩個(gè)開(kāi)關(guān)都與地串聯(lián)，因此這是一個(gè)較為安靜的轉換器。熱環(huán)路的物理尺寸必須很小，雖然有兩個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)但輸入或輸出端口不會(huì )傳導快速邊沿噪聲。需要正電壓轉換為負電壓或希望輸出噪聲較低或不希望向輸入傳導噪聲的應用中，此拓撲是個(gè)不錯選擇。 圖5. Cuk轉換器 此拓撲的開(kāi)關(guān)總應力等于VIN+|-VOUT，而非VIN+（-VOUT），比如將36V轉換為-36V，開(kāi)關(guān)應力則為72V加上開(kāi)關(guān)過(guò)沖。因此，若使用此電路，需要選擇一款具有適當開(kāi)關(guān)電壓額定值的升壓器件。 推薦型號： LT8330：小尺寸，非同步，60V/1A（開(kāi)關(guān)型） LT3471：雙SEPIC/Cuk，42V/1.3A（開(kāi)關(guān)型） LT3483：超小尺寸，逆變器，40V/400mA（開(kāi)關(guān)型） LT8362：小尺寸，非同步，60V/2A（開(kāi)關(guān)型） 反相降壓-升壓轉換器將正電壓轉為負電壓，VOUT連接到地，表現為-VOUT，VIN的幅值總是大于-VOUT的幅值。開(kāi)關(guān)管S1和S2分別與輸入和輸出串聯(lián)，因此，兩個(gè)端口都會(huì )傳導快速邊沿紋波噪聲。 如圖6所示，需要負供電軌且空間及其受限的場(chǎng)合可以使用此拓撲，它看似像降壓型但并非降壓型。除增加的一個(gè)電容外，尺寸與降壓型相同，有些高壓降壓型器件可以照此應用以獲得負供電軌。 圖6. 反相降壓-升壓轉換器 對于此拓撲，有幾點(diǎn)需要注意：1.器件上所有接地引腳都未接系統地；2.正常工作的前提是需要添加啟動(dòng)電容；3. VIN降壓為-VOUT，但實(shí)際運行在升壓模式下，這意味會(huì )引入RHPC，導致補償比降壓型更為復雜。 反激式是基于升壓的拓撲結構而建立，不同點(diǎn)是通過(guò)變壓器實(shí)現隔離，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VIN/VOUT比。 如圖7所示，反激型有兩個(gè)熱環(huán)路，一個(gè)在輸入端，一個(gè)在輸出端，這些環(huán)路需要最小化，而變壓器的大小有時(shí)會(huì )使這一任務(wù)具有挑戰性。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生很大的反激脈沖，反激脈沖與輸出電流成比例，需要調節網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行緩沖，并且這些元件有時(shí)也會(huì )有輻射。 圖7. 反激式轉換器 后平面和熱側之間需要直流隔離時(shí)，用于現場(chǎng)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)生數百伏或數千伏電壓。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中使用時(shí)需要注意這一點(diǎn)。 由于輸出脈沖無(wú)固有連接，因此，對于任何極性甚至帶有額外繞組的多個(gè)極性，任何一個(gè)節點(diǎn)都可以是次級側。另外，非光學(xué)反饋器件的電壓和負載調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 同反激式拓撲一樣，推挽型拓撲也是使用變壓器調整輸出，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(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，次級側存在與輸出串聯(lián)的LC濾波器，因此當需要安靜的輸出時(shí)此拓撲很有用，這使它很受需要隔離的信號鏈應用的歡迎。輸入側有一個(gè)熱環(huán)路，所示的簡(jiǎn)化模型顯示了循環(huán)熱環(huán)路，每一次傳導的時(shí)間是一半，因此，熱環(huán)路實(shí)際上是兩個(gè)半周期環(huán)路的疊加。 圖8. 推挽式轉換器 當需要直流隔離同時(shí)希望降低輸出噪聲和共模漏電流時(shí)，通常會(huì )選擇推挽型結構。與此拓撲相關(guān)的考慮是占空比限制，若總線(xiàn)變化，可能會(huì )導致次級側偏差，而占空比鉗位在50%。另外，用于此拓撲的變壓器有時(shí)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，Fsync最高1MHz，2.7V-36VIN/雙通道1A（開(kāi)關(guān)） MAX13253：低噪聲控制的擺率，250/600KHz，帶擴頻，3.0V/5.5Vin/雙通道1A（開(kāi)關(guān)） MAX256：簡(jiǎn)單的低噪聲隔離，3.3V/5VIN – 3W 4開(kāi)關(guān)降壓-升壓式轉換器結構與SEPIC一樣，VIN可以高于、低于或等于VOUT，但與SEPIC不同的是它有4個(gè)開(kāi)關(guān)和1個(gè)電感。 如圖9所示，升壓模式下，左上角開(kāi)關(guān)接通并保持導通，右側兩個(gè)管換相，表現為傳統的升壓型結構。降壓模式下，右上角開(kāi)關(guān)接通并保持導通，左側換相，表現為傳統的降壓操作。當VIN接近VOUT時(shí)，所有四個(gè)開(kāi)關(guān)都換相調節平均電壓。 圖9. 4開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉換器 降壓模式下熱環(huán)路在輸入側，右側開(kāi)關(guān)產(chǎn)生輻射；升壓模式下熱環(huán)路在輸出側，左側開(kāi)關(guān)產(chǎn)生輻射。四開(kāi)關(guān)模式下，兩個(gè)熱環(huán)路都處于活動(dòng)狀態(tài)，并且兩個(gè)開(kāi)關(guān)都產(chǎn)生輻射。在升壓和降壓-升壓模式下，輸出側確實(shí)有一個(gè)熱環(huán)路，但與SEPIC不同，在降壓模式下輸出側沒(méi)有熱環(huán)路。 若需要類(lèi)似SPEIC這樣的解決方案但要求尺寸較小時(shí)，可以選擇此結構，畢竟僅有一個(gè)電感。需要注意的是在模式轉換期間，可能有短暫的頻譜成分，ADI公司新一代器件已經(jīng)消除了很多此類(lèi)問(wèn)題，當然并非每家廠(chǎng)商都會(huì )這么做。 另外，上方開(kāi)關(guān)接通并保持導通，頂部驅動(dòng)器必須定期刷新以使該開(kāi)關(guān)不是一直完全斷開(kāi)。此外，為防止模式改變期間發(fā)生震顫，模式轉換會(huì )有一定滯回，在緩慢變化的輸入上操作的時(shí)間可能較長(cháng)。 推薦型號： LT3433：4-60VIN/3.3-20VOUT，可選升壓模式，500mA（開(kāi)關(guān)） LTC3114-1：40VIN/40VOUT，可編程均值Iout，1A（降壓）/1.7A（開(kāi)關(guān)） LTM8083：3-36VIN/1-36VOUT，6.25 × 6.25 × 2.22mm uModule，1.5A（降壓） 了解了基本轉換類(lèi)型及噪聲與輸入和輸出的關(guān)系后，需要考慮如何在系統中將這些類(lèi)型靈活應用、整合且建立一個(gè)完整的電源系統。一般做法是畫(huà)出系統示意圖，也稱(chēng)為電源樹(shù)，按照系統化方法進(jìn)行分解和分析，確定電源方案合理性。 建立電源樹(shù)時(shí)需要確定系統的輸入電壓特點(diǎn)，固定輸入還是有較寬輸入范圍？需要確定系統信號鏈需要的電源特點(diǎn)，正電壓還是負電壓？電流的消耗多大？預期噪聲水平和在信號鏈中需要的最高精度等。 ADI提供設計工具Power CAD幫助使用者進(jìn)行假設分析和迭代設計，助力提供合理的電源方案。 輸入：12-36VIN 輸出：5VA/10mA（噪聲非常低）；-2.5VS/5mA（噪聲非常低）；1.8VDDIO/15mA（無(wú)關(guān)緊要） 設計優(yōu)先級：尺寸 > 噪聲 > 效率 > 成本 設計策略： 降壓：寬VIN，低輸出噪聲 LDO：輸出噪聲非常低 電荷泵逆變器+LDO：小尺寸、低成本 如圖10所示，此案例中VIN是寬電壓輸入，因此選擇降壓型結構；二是需要最佳噪聲，因此選擇LDO；最后，需要負供電軌，因此使用電荷泵反相器?；诖朔治?，構建了如下電源樹(shù)，但是發(fā)現雖然LT8618降壓轉換器的輸入噪聲和反相電荷泵ADP3605的輸出噪聲均被LDO阻擋，但反相器ADP3605的輸入噪聲毀壞了所提供的所有增益。 為解決反相器輸入噪聲過(guò)大的問(wèn)題，可以使用反相降壓升壓或Cuk轉換器。如圖11所示，Cuk轉換器具有更低的輸入噪聲，可以將高開(kāi)關(guān)電壓Cuk放在第一級以獲得更高效率，或考慮到開(kāi)關(guān)電壓較小而放在第二級。綜合考慮設計優(yōu)先級，尺寸是最高優(yōu)先級，因此把它放在第二級。LDO要比降壓轉換器解決方案小很多。 總結案例研究Ⅰ，需要清楚了解轉換器的噪聲特性，比如電荷泵在輸入端和輸出端都有高噪聲；再是清楚設計優(yōu)先級，比如雖然降壓轉換器的效率會(huì )更高，但對于功耗只有幾毫安的應用，效率差異不會(huì )轉化為很多熱量，LDO更為適宜。 圖10. 案例分析 圖11. 案例分析 輸入：5VIN和3.3Vin固定 輸出：12VAMP/50mA（噪聲非常低）；8VA/35mA（噪聲非常低）；5VC/15mA（低噪聲）；2.5VL/8mA（無(wú)關(guān)緊要） 設計優(yōu)先級：噪聲 > 尺寸 > 效率 > 成本 設計策略： 升壓：5V需要升壓 LDO：輸出噪聲非常低 本案例中噪聲最受關(guān)注，因此必須使用LDO，同時(shí)又有升壓要求，故選用LDO和升壓轉換器來(lái)實(shí)現最低輸出噪聲。但不足之處是此方案使用了3個(gè)升壓轉換器和4個(gè)LDO，如圖12所示。 為簡(jiǎn)化方案，可以考慮中間總線(xiàn)加雙降壓策略，如圖13所示。對電源樹(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使用LT8338將電壓升至中間母線(xiàn)電壓，再通過(guò)降壓轉換器LTC3104和雙LDO LT3027給負載供電。此設計中LDO實(shí)現了低噪聲要求，降壓轉換器給不需要大量降噪的負載供電，提供較高的效率。 圖12. 案例分析（3路升壓+4路LDO） 圖13. 案例分析（中間母線(xiàn)方案） 為驗證和測試實(shí)際信號鏈的噪聲性能，ADI提供了堪稱(chēng)顛覆性的電源硬件評估平臺，利用上述討論的拓撲、器件以及各種電路板硬件創(chuàng )建電源樹(shù)，并與實(shí)驗室電源連接進(jìn)行評估。為驗證降噪策略，ADI還提供了定制的二階LCR濾波器試驗板進(jìn)行噪聲評估及測試。該平臺提供了一套完整的工程資料、全面的演示手冊和應用指南幫助使用者根據應用需求快速修改和配置電路。配合硬件平臺，提供的軟件工具SCP Configurator便于使用者選擇產(chǎn)品系列中的最佳器件，支持快速創(chuàng )建能夠有效工作的硬件并測試噪聲性能。 電源拓撲和架構對噪聲和性能產(chǎn)生不同的影響，通過(guò)電源樹(shù)評定電源策略，確定適合特定的應用。ADI旨在電源管理權衡因素中提供指導，幫助設計人員盡可能實(shí)現更高的信號鏈精度。
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