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信號鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計所需的所有精度

作者: 時間:2023-07-31 來源:電源管理 收藏

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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202307/449120.htm

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?、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。

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圖1. 電源質(zhì)量VS 有效位數(shù)VS 有效帶寬

電源轉(zhuǎn)換器概述

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。

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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:

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圖2. 降壓型轉(zhuǎn)換器

紅色環(huán)路:控制開關(guān)管S1導通時的電流路徑。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?,當占空比遠大于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

LT8618:65VIN/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(gòu)

升壓型轉(zhuǎn)換器(Boost)

升壓型轉(zhuǎn)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)生傳導噪聲。

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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

SEPIC轉(zhuǎn)換器

SEPIC是單端初級電感轉(zhuǎn)換器的首字母縮寫。SEPIC轉(zhuǎn)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有所限制。

如圖4所示,熱環(huán)路于輸出側(cè),存在兩個輻射開關(guān)節(jié)點,輸出側(cè)噪聲較高。工作于降壓模式時,降壓型輸出側(cè)安靜的特點并未改變,畢竟輸出側(cè)有電感的存在。

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圖4. SEPIC轉(zhuǎn)換器

可以注意到電容與循環(huán)熱環(huán)路串聯(lián),轉(zhuǎn)換器適應于輸入到輸出沒有直流短路路徑的場合。可以在SEPIC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(gòu)建,因此即使提供降壓功能,但若反饋節(jié)點短路,仍然會受到破壞性電壓的影響。

Cuk轉(zhuǎn)換器

Cuk轉(zhuǎn)換器根據(jù)拓撲發(fā)明人庫克而命名。Cuk電路將正電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨撾妷?,相當于反相拓撲結(jié)構(gòu)。Cuk和SEPIC極為接近,只是輸出開關(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),并且兩個開關(guān)都與地串聯(lián),因此這是一個較為安靜的轉(zhuǎn)換器。熱環(huán)路的物理尺寸必須很小,雖然有兩個開關(guān)節(jié)點但輸入或輸出端口不會傳導快速邊沿噪聲。需要正電壓轉(zhuǎn)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,此拓撲是個不錯選擇。

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圖5. Cuk轉(zhuǎn)換器

此拓撲的開關(guān)總應力等于VIN+|-VOUT,而非VIN+(-VOUT),比如將36V轉(zhuǎn)換為-36V,開關(guān)應力則為72V加上開關(guān)過沖。因此,若使用此電路,需要選擇一款具有適當開關(guān)電壓額定值的升壓器件。

推薦型號:

LT8330:小尺寸,非同步,60V/1A(開關(guān)型)

LT3471:雙SEPIC/Cuk,42V/1.3A(開關(guān)型)

LT3483:超小尺寸,逆變器,40V/400mA(開關(guān)型)

LT8362:小尺寸,非同步,60V/2A(開關(guān)型)

反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將正電壓轉(zhuǎn)為負電壓,VOUT連接到地,表現(xiàn)為-VOUT,VIN的幅值總是大于-VOUT的幅值。開關(guān)管S1和S2分別與輸入和輸出串聯(lián),因此,兩個端口都會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。

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圖6. 反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

對于此拓撲,有幾點需要注意:1.器件上所有接地引腳都未接系統(tǒng)地;2.正常工作的前提是需要添加啟動電容;3. VIN降壓為-VOUT,但實際運行在升壓模式下,這意味會引入RHPC,導致補償比降壓型更為復雜。

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VIN/VOUT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)絡進行緩沖,并且這些元件有時也會有輻射。

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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/單片,42V/6W

LT3511:非光學/單片,100V/2.5W

LTC3803:非光學/控制器,75V/15W

LT3001:非光學/單片,36V/4W

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。

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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-36VIN/雙通道1A(開關(guān))

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

MAX256:簡單的低噪聲隔離,3.3V/5VIN – 3W

4開關(guān)降壓-升壓式轉(zhuǎn)換器

4開關(guān)降壓-升壓式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)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個開關(guān)和1個電感。

如圖9所示,升壓模式下,左上角開關(guān)接通并保持導通,右側(cè)兩個管換相,表現(xiàn)為傳統(tǒng)的升壓型結(jié)構(gòu)。降壓模式下,右上角開關(guān)接通并保持導通,左側(cè)換相,表現(xiàn)為傳統(tǒng)的降壓操作。當VIN接近VOUT時,所有四個開關(guān)都換相調(diào)節(jié)平均電壓。

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圖9. 4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

降壓模式下熱環(huán)路在輸入側(cè),右側(cè)開關(guān)產(chǎn)生輻射;升壓模式下熱環(huán)路在輸出側(cè),左側(cè)開關(guān)產(chǎn)生輻射。四開關(guān)模式下,兩個熱環(huán)路都處于活動狀態(tài),并且兩個開關(guān)都產(chǎn)生輻射。在升壓和降壓-升壓模式下,輸出側(cè)確實有一個熱環(huán)路,但與SEPIC不同,在降壓模式下輸出側(cè)沒有熱環(huán)路。

若需要類似SPEIC這樣的解決方案但要求尺寸較小時,可以選擇此結(jié)構(gòu),畢竟僅有一個電感。需要注意的是在模式轉(zhuǎn)換期間,可能有短暫的頻譜成分,ADI公司新一代器件已經(jīng)消除了很多此類問題,當然并非每家廠商都會這么做。

另外,上方開關(guān)接通并保持導通,頂部驅(qū)動器必須定期刷新以使該開關(guān)不是一直完全斷開。此外,為防止模式改變期間發(fā)生震顫,模式轉(zhuǎn)換會有一定滯回,在緩慢變化的輸入上操作的時間可能較長。

推薦型號:

LT3433:4-60VIN/3.3-20VOUT,可選升壓模式,500mA(開關(guān))

LTC3114-1:40VIN/40VOUT,可編程均值Iout,1A(降壓)/1.7A(開關(guān))

LTM8083:3-36VIN/1-36VOUT,6.25 × 6.25 × 2.22mm uModule,1.5A(降壓)

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。

案例研究 Ⅰ

輸入:12-36VIN

輸出:5VA/10mA(噪聲非常低);-2.5VS/5mA(噪聲非常低);1.8VDDIO/15mA(無關(guān)緊要)

設(shè)計優(yōu)先級:尺寸 > 噪聲 > 效率 > 成本

設(shè)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(jié)構(gòu);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(gòu)建了如下電源樹,但是發(fā)現(xiàn)雖然LT8618降壓轉(zhuǎn)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大的問題,可以使用反相降壓升壓或Cuk轉(zhuǎn)換器。如圖11所示,Cuk轉(zhuǎn)換器具有更低的輸入噪聲,可以將高開關(guān)電壓Cuk放在第一級以獲得更高效率,或考慮到開關(guān)電壓較小而放在第二級。綜合考慮設(shè)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(zhuǎn)換器解決方案小很多。

總結(jié)案例研究Ⅰ,需要清楚了解轉(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用,效率差異不會轉(zhuǎn)化為很多熱量,LDO更為適宜。

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圖10. 案例分析

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圖11. 案例分析

案例研究 Ⅱ

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(無關(guān)緊要)

設(shè)計優(yōu)先級:噪聲 > 尺寸 > 效率 > 成本

設(shè)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,如圖12所示。

為簡化方案,可以考慮中間總線加雙降壓策略,如圖13所示。對電源樹進行優(yōu)化,使用LT8338將電壓升至中間母線電壓,再通過降壓轉(zhuǎn)換器LTC3104和雙LDO LT3027給負載供電。此設(shè)計中LDO實現(xiàn)了低噪聲要求,降壓轉(zhuǎn)換器給不需要大量降噪的負載供電,提供較高的效率。

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圖12. 案例分析(3路升壓+4路LDO)

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圖13. 案例分析(中間母線方案)

總結(jié)

為驗證和測試實際信號鏈的噪聲性能,ADI提供了堪稱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,并與實驗室電源連接進行評估。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(jù)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(gòu)對噪聲和性能產(chǎn)生不同的影響,通過電源樹評定電源策略,確定適合特定的應用。ADI旨在權(quán)衡因素中提供指導,幫助設(shè)計人員盡可能實現(xiàn)更高的信號鏈精度。



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