信号链的电源管理选择——保持设计所需的所有精度

 

信号链精度是转换器性能的关键考核指标，毋庸置疑，电路设计中电源质量对精度的影响起到举足轻重的作用。一般而言，电源质量以噪声大小进行衡量，而电源拓扑及其架构又与电源噪声密不可分。本文将各种电源构架及其特点做详细阐述，同时从实际案例需求出发，解析电源选择的适配性。    

电源噪声会影响信号链的处理增益，而处理增益本质上意味着以转换器支持的精度从不相关的噪声中提取尽可能多的有用信息，实际上处理过程中获得的信息永远不会比使用原始样本数据获得的信息多，这也是有效位数的概念。总而言之，精度、采样率、有效位数、有效带宽几者之间有不可分割的关系。

 

如图1所示，假设选择24位5MSPS SAR转换器，希望查看1MHz左右的信号，对此进行分析：24位的动态范围是144dB，频谱分析仪图中得到仪器本底噪声约为133dB，可以实现大约22位精度。若使用单电感多输出或SIMO转换器，输出纹波约为115dB，或大约19位，根据电源抑制比将获得19至22位的有效位数。若4倍耐奎斯特频率才能换回1bit，如果有无限PSRR，使用16倍过采样以换回2bits的话，目标带宽将被限制为312kHz，无PSRR的话将需要80倍过采样，那么有效带宽约为62.5kHz，而我们的目标带宽是1MHz。由此可见，电源质量对于信号链精度和带宽真的很重要。

 

图1. 电源质量VS 有效位数VS 有效带宽

 

电源转换器概述    

以信号是否被隔离角度划分，转换器分为非隔离型和隔离型两大类，表1示例了常见的转换器类型。电路类型不同，转换特点不同，节点噪声也各有特点。非隔离拓扑主要构成元件为电感、开关管和电容；隔离拓扑主要构成为变压器、开关管和电容。

 

LDO是线性转换器，并未添加至如下拓扑类型中。负载电流较小，如十几或几十mA，输入加电压差大于最高供电轨的应用情况下会使用LDO，但LDO不能产生负电压轨。低频时，LDO具有很好的噪声性能。

 

表1. 转换器拓扑概述

 

非隔离型    降压型转换器(Buck)

降压型转换器V_IN总是大于V_OUT，由于最小占空比限制的存在，在给定的工作频率下无法实现大压差转换，比如50V转换至1V的情况。

 

如图2所示，不同颜色标示了转换器因开关管开通与关断产生的电流路径，用不同颜色标示几个环路，分别用红色，蓝色，橙色和绿色表示：

 

图2. 降压型转换器

 

红色环路：控制开关管S1导通时的电流路径。输入端有开关与之串联，故输入端口为高噪声节点；

 

蓝色环路：控制开关管S1断开、开关管S2导通时的电流路径。输出端与二阶LC滤波器串联，故此节点噪声较低；

 

橙色节点：开关管S1和S2的高频切换使得此节点产生高频电压交替变化，故此节点会产生高频辐射，PCB布局时需保持尽可能小的尺寸；

 

绿色环路：此环路一般称为热环路，也称为高di/dt环路。对于降压转换器，它的输入侧是热环路。该环路存在快速边沿切换的电流，时域中的边沿跳变相当于频域中的广泛频谱，因此，为避免高频噪声，PCB布局时应最大程度的减少该环路的物理尺寸。

 

降压型转换器的应用场景为：1. 输入范围较宽；2. 系统希望的效率远大于LDO可提供的效率；3. 系统需要干净的输出。

 

对于内部补偿的降压型器件，当占空比远大于50%时对其进行补偿可能很棘手，同时我们还希望避免出现低频振荡。

推荐型号

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，宽输入电压范围，同步

LT8609S：42V_IN/2A，独特的 Silent Switcher 2 架构

 

升压型转换器(Boost)

升压型转换器的V_IN总是小于V_OUT。由于最大占空比限制的存在，使用者无法获得想要的任意高电压。

 

如图3所示，升压型拓扑中S2是控制开关，与降压型拓扑较为类似，表现为在X轴上进行了翻转。输入端与LC滤波器串联，故输入节点为安静节点，而输出端与开关串联，因此会产生传导噪声。

 

图3. 升压型转换器

 

一般而言，负载需要的电压高于输入电压或希望创建较高的中间总线电压时会选择升压型转换器。升压型电路设计时应使输出热环路尺寸尽可能小以降低辐射噪声。另外，需要注意的是反馈节点，反馈产生的输出电压可能高至足以破坏开关以及下游任何器件的程度，若反馈节点短路，电路会受到破坏性电压的影响。

推荐型号

LT8330：60V/1A（开关），小尺寸，非同步升压转换器

LT3461：40V/250mA（开关），小尺寸，集成肖特基二极管

LT8410：42V/25mA（开关），超小尺寸，同步升压转换器

LT8338：40V/1.2A（开关），小尺寸，同步升压转换器

 

SEPIC转换器

SEPIC是单端初级电感转换器的首字母缩写。SEPIC转换器的输入V_IN可以高于、等于或低于输出V_OUT，由于最大和最小占空比限制的存在，降压和升压的最高及最低值也会有所限制。

 

如图4所示，热环路于输出侧，存在两个辐射开关节点，输出侧噪声较高。工作于降压模式时，降压型输出侧安静的特点并未改变，毕竟输出侧有电感的存在。

 

图4. SEPIC转换器

 

可以注意到电容与循环热环路串联，转换器适应于输入到输出没有直流短路路径的场合。可以在SEPIC拓扑中使用耦合电感以获得更佳的噪声性能。此电路基于升压器件构建，因此即使提供降压功能，但若反馈节点短路，仍然会受到破坏性电压的影响。

 

Cuk转换器

Cuk转换器根据拓扑发明人库克而命名。Cuk电路将正电压转变为负电压，相当于反相拓扑结构。Cuk和SEPIC极为接近，只是输出开关和顶部电感交换了位置，消除了V_OUT和接地连接，因此分析Cuk的方式与SEPIC雷同，只不过要在输出电压上添加负号。

 

如图5所示，输入和输出均与LC滤波器串联，并且两个开关都与地串联，因此这是一个较为安静的转换器。热环路的物理尺寸必须很小，虽然有两个开关节点但输入或输出端口不会传导快速边沿噪声。需要正电压转换为负电压或希望输出噪声较低或不希望向输入传导噪声的应用中，此拓扑是个不错选择。

 

图5. Cuk转换器

 

此拓扑的开关总应力等于V_IN+|-V_OUT，而非V_IN+（-V_OUT），比如将36V转换为-36V，开关应力则为72V加上开关过冲。因此，若使用此电路，需要选择一款具有适当开关电压额定值的升压器件。

推荐型号：

LT8330：小尺寸，非同步，60V/1A（开关型）

LT3471：双SEPIC/Cuk，42V/1.3A（开关型）

LT3483：超小尺寸，逆变器，40V/400mA（开关型）

LT8362：小尺寸，非同步，60V/2A（开关型）

 

反相降压-升压转换器

反相降压-升压转换器将正电压转为负电压，V_OUT连接到地，表现为-V_OUT，V_IN的幅值总是大于-V_OUT的幅值。开关管S1和S2分别与输入和输出串联，因此，两个端口都会传导快速边沿纹波噪声。

 

如图6所示，需要负供电轨且空间及其受限的场合可以使用此拓扑，它看似像降压型但并非降压型。除增加的一个电容外，尺寸与降压型相同，有些高压降压型器件可以照此应用以获得负供电轨。

 

图6. 反相降压-升压转换器

 

对于此拓扑，有几点需要注意：1.器件上所有接地引脚都未接系统地；2.正常工作的前提是需要添加启动电容；3. V_IN降压为-V_OUT，但实际运行在升压模式下，这意味会引入RHPC，导致补偿比降压型更为复杂。

 

隔离型      反激式转换器(Flyback)

反激式是基于升压的拓扑结构而建立，不同点是通过变压器实现隔离，占空比约束发生变化，占空比与绕组比成比例，可以获得几乎任何V_IN/V_OUT比。

 

如图7所示，反激型有两个热环路，一个在输入端，一个在输出端，这些环路需要最小化，而变压器的大小有时会使这一任务具有挑战性。开关节点会产生很大的反激脉冲，反激脉冲与输出电流成比例，需要调节网络进行缓冲，并且这些元件有时也会有辐射。

 

图7. 反激式转换器

 

后平面和热侧之间需要直流隔离时，用于现场或仪器控制中，可以使用反激型。当需要隔离也可以使用反激型，但输入输出范围必须比较宽，例如产生数百伏或数千伏电压。该拓扑往往含有较高的共模漏电流，因此，在具有安全标准额定值的系统中使用时需要注意这一点。

 

由于输出脉冲无固有连接，因此，对于任何极性甚至带有额外绕组的多个极性，任何一个节点都可以是次级侧。另外，非光学反馈器件的电压和负载调整往往比直接反馈更为柔和。

推荐型号：

LT8301：非光学/单片，42V/6W

LT3511：非光学/单片，100V/2.5W

LTC3803：非光学/控制器，75V/15W

LT3001：非光学/单片，36V/4W

 

推挽式转换器

同反激式拓扑一样，推挽型拓扑也是使用变压器调整输出，但是这种拓扑的工作方式决定了其占空比最大值为50%。

 

如图8所示，推挽型有两个开关节点，次级侧存在与输出串联的LC滤波器，因此当需要安静的输出时此拓扑很有用，这使它很受需要隔离的信号链应用的欢迎。输入侧有一个热环路，所示的简化模型显示了循环热环路，每一次传导的时间是一半，因此，热环路实际上是两个半周期环路的叠加。

 

图8. 推挽式转换器

 

当需要直流隔离同时希望降低输出噪声和共模漏电流时，通常会选择推挽型结构。与此拓扑相关的考虑是占空比限制，若总线变化，可能会导致次级侧偏差，而占空比钳位在50%。另外，用于此拓扑的变压器有时可能较大，相对于传输相同功率量的反激型而言，推挽电路具有较低共模漏电流。

推荐型号：

LT3999：可编程电流限值，Fsync最高1MHz，2.7V-36VIN/双通道1A（开关）

MAX13253：低噪声控制的摆率，250/600KHz，带扩频，3.0V/5.5Vin/双通道1A（开关）

MAX256：简单的低噪声隔离，3.3V/5V_IN – 3W

 

4开关降压-升压式转换器

4开关降压-升压式转换器结构与SEPIC一样，V_IN可以高于、低于或等于V_OUT，但与SEPIC不同的是它有4个开关和1个电感。

 

如图9所示，升压模式下，左上角开关接通并保持导通，右侧两个管换相，表现为传统的升压型结构。降压模式下，右上角开关接通并保持导通，左侧换相，表现为传统的降压操作。当V_IN接近V_OUT时，所有四个开关都换相调节平均电压。

 

图9. 4开关降压-升压转换器

 

降压模式下热环路在输入侧，右侧开关产生辐射；升压模式下热环路在输出侧，左侧开关产生辐射。四开关模式下，两个热环路都处于活动状态，并且两个开关都产生辐射。在升压和降压-升压模式下，输出侧确实有一个热环路，但与SEPIC不同，在降压模式下输出侧没有热环路。

 

若需要类似SPEIC这样的解决方案但要求尺寸较小时，可以选择此结构，毕竟仅有一个电感。需要注意的是在模式转换期间，可能有短暂的频谱成分，ADI公司新一代器件已经消除了很多此类问题，当然并非每家厂商都会这么做。

 

另外，上方开关接通并保持导通，顶部驱动器必须定期刷新以使该开关不是一直完全断开。此外，为防止模式改变期间发生震颤，模式转换会有一定滞回，在缓慢变化的输入上操作的时间可能较长。

推荐型号：

LT3433：4-60V_IN/3.3-20V_OUT，可选升压模式，500mA（开关）

LTC3114-1：40V_IN/40V_OUT，可编程均值Iout，1A（降压）/1.7A（开关）

LTM8083：3-36V_IN/1-36V_OUT，6.25 × 6.25 × 2.22mm uModule，1.5A（降压）

 

电源树    

了解了基本转换类型及噪声与输入和输出的关系后，需要考虑如何在系统中将这些类型灵活应用、整合且建立一个完整的电源系统。一般做法是画出系统示意图，也称为电源树，按照系统化方法进行分解和分析，确定电源方案合理性。

 

建立电源树时需要确定系统的输入电压特点，固定输入还是有较宽输入范围？需要确定系统信号链需要的电源特点，正电压还是负电压？电流的消耗多大？预期噪声水平和在信号链中需要的最高精度等。

 

ADI提供设计工具Power CAD帮助使用者进行假设分析和迭代设计，助力提供合理的电源方案。

 

案例研究 Ⅰ

输入：12-36V_IN

输出：5VA/10mA（噪声非常低）；-2.5VS/5mA（噪声非常低）；1.8VDDIO/15mA（无关紧要）

设计优先级：尺寸 > 噪声 > 效率 > 成本

设计策略：

降压：宽V_IN，低输出噪声

LDO：输出噪声非常低

电荷泵逆变器+LDO：小尺寸、低成本

 

如图10所示，此案例中V_IN是宽电压输入，因此选择降压型结构；二是需要最佳噪声，因此选择LDO；最后，需要负供电轨，因此使用电荷泵反相器。基于此分析，构建了如下电源树，但是发现虽然LT8618降压转换器的输入噪声和反相电荷泵ADP3605的输出噪声均被LDO阻挡，但反相器ADP3605的输入噪声毁坏了所提供的所有增益。

 

为解决反相器输入噪声过大的问题，可以使用反相降压升压或Cuk转换器。如图11所示，Cuk转换器具有更低的输入噪声，可以将高开关电压Cuk放在第一级以获得更高效率，或考虑到开关电压较小而放在第二级。综合考虑设计优先级，尺寸是最高优先级，因此把它放在第二级。LDO要比降压转换器解决方案小很多。

 

总结案例研究Ⅰ，需要清楚了解转换器的噪声特性，比如电荷泵在输入端和输出端都有高噪声；再是清楚设计优先级，比如虽然降压转换器的效率会更高，但对于功耗只有几毫安的应用，效率差异不会转化为很多热量，LDO更为适宜。

 

图10. 案例分析

 

图11. 案例分析

 

案例研究 Ⅱ

输入：5V_IN和3.3Vin固定

输出：12VAMP/50mA（噪声非常低）；8VA/35mA（噪声非常低）；5VC/15mA（低噪声）；2.5VL/8mA（无关紧要）

设计优先级：噪声 > 尺寸 > 效率 > 成本

设计策略：

升压：5V需要升压

LDO：输出噪声非常低

 

本案例中噪声最受关注，因此必须使用LDO，同时又有升压要求，故选用LDO和升压转换器来实现最低输出噪声。但不足之处是此方案使用了3个升压转换器和4个LDO，如图12所示。

 

为简化方案，可以考虑中间总线加双降压策略，如图13所示。对电源树进行优化，使用LT8338将电压升至中间母线电压，再通过降压转换器LTC3104和双LDO LT3027给负载供电。此设计中LDO实现了低噪声要求，降压转换器给不需要大量降噪的负载供电，提供较高的效率。

 

图12. 案例分析（3路升压+4路LDO）

 

图13. 案例分析（中间母线方案）

 

总结    

为验证和测试实际信号链的噪声性能，ADI提供了堪称颠覆性的电源硬件评估平台，利用上述讨论的拓扑、器件以及各种电路板硬件创建电源树，并与实验室电源连接进行评估。为验证降噪策略，ADI还提供了定制的二阶LCR滤波器试验板进行噪声评估及测试。该平台提供了一套完整的工程资料、全面的演示手册和应用指南帮助使用者根据应用需求快速修改和配置电路。配合硬件平台，提供的软件工具SCP Configurator便于使用者选择产品系列中的最佳器件，支持快速创建能够有效工作的硬件并测试噪声性能。

 

电源拓扑和架构对噪声和性能产生不同的影响，通过电源树评定电源策略，确定适合特定的应用。ADI旨在电源管理权衡因素中提供指导，帮助设计人员尽可能实现更高的信号链精度。