為了確保高精度，精密測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)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(zhuǎn)換器信號(hào)鏈的性能。在這些測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中，產(chǎn)生雙極性和/或隔離的系統(tǒng)電源在電路板面積、開關(guān)紋波、EMI和效率方面給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)字萬(wàn)用表需要低噪聲電源，以便提供高分辨率ADC信號(hào)鏈的性能，而不會(huì)受到開關(guān)電源的雜散紋波音的破壞。源測(cè)量單元和直流源/電源對(duì)最小化高分辨率DAC信號(hào)鏈上的雜散輸出紋波有類似的要求。在精密測(cè)試和測(cè)量?jī)x器中，還有一種趨勢(shì)是通道數(shù)增加，以增加并行測(cè)試。在電氣隔離應(yīng)用中，這些多通道儀器對(duì)通道間隔離的需求越來(lái)越大，其中必須基于每個(gè)通道產(chǎn)生功率。這推動(dòng)了需要越來(lái)越小的PCB尺寸同時(shí)保持性能的解決方案。在這些應(yīng)用中實(shí)施低噪聲電源解決方案可能會(huì)導(dǎo)致PCB占位面積大于預(yù)期和/或過(guò)度使用LDO穩(wěn)壓器或?yàn)V波電路而導(dǎo)致電源效率低下。

例如，在1 MHz時(shí)紋波為5 mV的開關(guān)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(guān)紋波降至5 μV或更低。對(duì)于高分辨率18位ADC，這只是LSB的一小部分。

幸運(yùn)的是，有一些解決方案通過(guò)與μModule器件和組件的更高水平的電源解決方案集成來(lái)簡(jiǎn)化這項(xiàng)任務(wù)，這些器件和組件在降低輻射噪聲和開關(guān)紋波的同時(shí)提供了更高的效率，例如靜音開關(guān)器件和高電源抑制比（PSRR）LDO穩(wěn)壓器。??

許多精密測(cè)試和測(cè)量?jī)x器（如源測(cè)量單元或電源）需要多象限操作來(lái)源和測(cè)量正負(fù)信號(hào)。這要求從單個(gè)正電源輸入以低噪聲和高效方式產(chǎn)生負(fù)電源和正電源。讓我們考慮一個(gè)需要從單個(gè)正輸入電源產(chǎn)生雙極性電源的系統(tǒng)。圖1顯示了產(chǎn)生±15 V和±5 V電源解決方案，并使用正負(fù)LDO穩(wěn)壓器濾除/降低開關(guān)紋波，并產(chǎn)生5 V、3.3 V或1.8 V等附加電源軌，為信號(hào)調(diào)理電路或ADC和DAC供電。

圖1.用于非隔離式雙極性電源系統(tǒng)（±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(tǒng)設(shè)計(jì)器設(shè)計(jì)的，可在LTpowerCAD?.LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具是一個(gè)完整的電源設(shè)計(jì)工具程序，可以顯著簡(jiǎn)化許多電源產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)任務(wù)。?

LTM8049 和 ADP5070 / ADP5071 允許我們獲取單個(gè)正輸入，將其升壓至所需的正電源，然后反相以產(chǎn)生負(fù)電源軌。LTM8049 是一款 μModule 解決方案，它大大簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)此目的所需的組件數(shù)量 — 我們只需要添加輸入和輸出電容器即可。除了簡(jiǎn)化開關(guān)穩(wěn)壓器組件選擇和電路板布局方面的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)外，LTM8049 還最大限度地減少了產(chǎn)生雙極性電源所需的 PCB 占板面積和物料清單。當(dāng)需要較輕負(fù)載（<~100 mA）時(shí)的效率時(shí)，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(duì)電源解決方案進(jìn)行更多的定制。ADP5070 和 LTM8049 均具有同步引腳，可用于將開關(guān)頻率與 ADC 的時(shí)鐘同步，以避免在 ADC 的敏感時(shí)間段內(nèi)切換內(nèi)部 FET。這些穩(wěn)壓器在幾 100 mA 負(fù)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(gè)封裝中集成了一個(gè)正低噪聲和負(fù)低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器。LT3023 集成了兩個(gè)具有寬工作范圍的低噪聲、正 LDO 穩(wěn)壓器。兩個(gè)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(shí)從開關(guān)穩(wěn)壓器級(jí)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(jiǎn)化物料清單。如果LDO穩(wěn)壓器需要更高級(jí)別的PSRR以進(jìn)一步降低MHz范圍內(nèi)的開關(guān)紋波，則應(yīng)考慮使用LDO穩(wěn)壓器，如LT3094 / LT3045。LDO級(jí)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(shí)現(xiàn)該解決方案的兩個(gè)參考設(shè)計(jì)示例。這些設(shè)計(jì)適用于使用精密ADC（如18/20位AD4003/AD4020）進(jìn)行精密多通道數(shù)據(jù)采集。在CN-0345中，使用LC諧振電路濾除來(lái)自ADP5070的開關(guān)紋波，而不是使用LDO穩(wěn)壓器，如圖1所示。在參考設(shè)計(jì)CN-0385中，在ADP5070之后使用正和負(fù)LDO穩(wěn)壓器（ADP7118和ADP7182）來(lái)濾除開關(guān)紋波。使用ADP5070為AD5791等雙極性20位精密DAC供電的示例，請(qǐng)參見(jiàn)此處的評(píng)估板用戶指南。

這些示例展示了在數(shù)據(jù)采集和精密電源/源等應(yīng)用中使用ADP5070等開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生雙極性電源時(shí)，如何保持高水平的精密性能。

隔離式雙極性電源

當(dāng)精密測(cè)試和測(cè)量?jī)x器出于安全原因需要隔離時(shí)，這給通過(guò)隔離柵高效提供足夠功率帶來(lái)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(tǒng)的電源解決方案，具有低電源紋波。

ADuM3470和LTM8067允許我們?cè)? V隔離輸出下高效通過(guò)隔離柵提供高達(dá)~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(jiǎn)化隔離式電源解決方案的設(shè)計(jì)和布局，同時(shí)最大限度地減小 PCB 占板面積和物料清單。LTM8067可隔離高達(dá)2 kV rms的電壓。為實(shí)現(xiàn)更低的輸出紋波，LTM8068集成了一個(gè)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(shí)還集成數(shù)字隔離通道，用于ADC和DAC的數(shù)據(jù)傳輸和控制。根據(jù)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(gè)正電源在隔離側(cè)產(chǎn)生±15 V電源軌?；蛘撸珹DuM3470設(shè)計(jì)可配置為直接產(chǎn)生雙極性電源，無(wú)需額外的開關(guān)級(jí)。這導(dǎo)致以犧牲效率為代價(jià)的更小的PCB面積解決方案。ADuM3470的隔離電壓高達(dá)2.5 kV rms，但ADuM4470系列可用于高達(dá)5 kV rms的更高級(jí)別的電壓隔離。

CN-0385是實(shí)現(xiàn)ADuM3470解決方案的參考設(shè)計(jì)示例，如圖2所示。ADP5070采用隔離側(cè)，從隔離式5.5 V電源軌產(chǎn)生雙極性±16 V電源軌。該參考設(shè)計(jì)利用了ADuM3470中包含的數(shù)字隔離通道。使用ADuM3470的類似設(shè)計(jì)是CN-0393。這是一款基于ADAQ7980/ADAQ7988 μModule ADC的組隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在此設(shè)計(jì)中，ADuM3470配置了一個(gè)外部變壓器和肖特基二極管全波整流器，可直接產(chǎn)生±16.5 V電壓，無(wú)需額外的穩(wěn)壓器級(jí)。這允許以較低的效率為代價(jià)實(shí)現(xiàn)更小的占地面積解決方案。CN-0292（基于AD7176 Σ-Δ ADC的4通道數(shù)據(jù)采集解決方案）和CN-0233（重點(diǎn)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(shù)據(jù)采集或隔離式電源中提供隔離電源以實(shí)現(xiàn)精密性能水平，同時(shí)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(gòu)，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(chǎn)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(guān)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(guān)、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(dá)1.2 A的電流和低輻射噪聲。靜音開關(guān)技術(shù)可消除開關(guān)電流產(chǎn)生的雜散場(chǎng)，從而降低傳導(dǎo)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(hào)鏈供電的理想選擇。根據(jù)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(guān)穩(wěn)壓器輸出為其供電，而無(wú)需像傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器那樣使用LDO穩(wěn)壓器來(lái)進(jìn)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(tǒng)中的數(shù)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(yīng)用的理想選擇，同時(shí)簡(jiǎn)化并加快了開關(guān)穩(wěn)壓器電源的設(shè)計(jì)和布局。

如果需要以犧牲PCB面積為代價(jià)進(jìn)行更大的定制，則可以通過(guò)使用LT8609S等產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靜音開關(guān)器件的分立實(shí)現(xiàn)。這些產(chǎn)品包括擴(kuò)頻模式，用于將開關(guān)頻率處的紋波能量分散到一個(gè)頻帶上。這降低了電源在精密系統(tǒng)中出現(xiàn)的雜散音調(diào)的幅度。

靜音開關(guān)穩(wěn)壓器技術(shù)與μModule解決方案中的高集成度相結(jié)合，解決了精密應(yīng)用（如多通道源測(cè)量單元）密度需求不斷增加的挑戰(zhàn)，而不會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)的高分辨率性能水平。

結(jié)論

生成具有隔離的雙極性電源系統(tǒng)，用于精密電子測(cè)試和測(cè)量，可以在系統(tǒng)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(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)并允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員做出正確權(quán)衡的解決方案和產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷