信号链的电源管理如何选？

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

 

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【ADI信号链的电源管理选择——保持设计所需的所有精度】

 

 

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（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

Tips    

LT8618、LT8604C 均可在 ADI 中国在线商城 直接下单采购。

 

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 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

Tips    

LT8330、LT3461、LT8410、LT8338 均可在 ADI 中国在线商城直接下单采购。

 

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 SEPIC转换器  Cuk转换器  反相降压-升压转换器  

篇幅限制，以上转换器的介绍及型号推荐，请下载解决方案《信号链的电源管理选择——保持设计所需的所有精度》查看完整文档。

       

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   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

Tips    

LT8301、LT3511、LT3803、LT3001 均可在 ADI 中国在线商城 直接下单采购。

 

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 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-36V_IN/双通道1A（开关）

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

• MAX256：简单的低噪声隔离，3.3V/5V_IN – 3W

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 4开关降压-升压式转换器

篇幅有限，4开关降压-升压式转换器的介绍及型号推荐，请下载解决方案《信号链的电源管理选择——保持设计所需的所有精度》查看完整文档。

       

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 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。

 

 

解决方案《信号链的电源管理选择——保持设计所需的所有精度》中分享了2个案例研究，案例1研究了转换器的噪声特性，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。案例2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。

 

……

 

完整的案例研究及分析，请扫码下载解决方案《信号链的电源管理选择——保持设计所需的所有精度》进行查看。

       

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原文标题：信号链的电源管理如何选？

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