精密电子测试测量的隔离双极性电源系统方案

为了确保高精度，精密测试和测量系统需要具有低纹波和辐射噪声的电源解决方案，从而不会降低高分辨率转换器信号链的性能。在这些测试和测量应用中，生成双极和 / 或隔离系统电源给系统设计人员带来了电路板面积、开关纹波、EMI 和效率方面的挑战。

数据采集系统和数字万用表需要低噪声电源，以便提供高分辨率 ADC 信号链的性能，而不被开关电源产生的纹波噪声所影响。源表（SMU）和直流源 / 电源具有类似的要求，以便将高分辨率 DAC 信号链上的杂散输出纹波降至最低。精密测试和测量仪器中的通道数也有增加的趋势，以便增加并行测试。在电隔离应用中，这些多通道仪器日益需要通道间隔离，其中电源必须在各通道上产生。此驱动解决方案需要的 PCB 尺寸越来越小，同时保持性能。在这些应用中实施低噪声电源解决方案可能导致 PCB 尺寸比期望的大，和 / 或由于过度使用 LDO 稳压器或滤波器电路而导致效率变差。

例如，在 1 MHz 下 5 mV 纹波的开关电源轨需要通过 LDO 稳压器和 ADC 供电特性的组合来实现 60 dB 或以上的电源电压抑制比(PSRR)，从而将 ADC 输出端的开关纹波减少到 5 μV 或更低。对于 18 位的高分辨率 ADC，这只是 LSB 的一个零头（从而不会对 LSB 产生影响）。

幸运的是，可以通过μModule 器件和相关元件搭建集成度更高的电源解决方案来简化这项任务。例如 Silent Switcher 器件和高电源电压抑制比(PSRR) 的 LDO 稳压器，这些解决方案在降低辐射噪声和开关纹波的同时实现了更高的效率。

图 1. 具有低电源纹波的非隔离双极性电源系统（±15 V 和±5 V）的电源解决方案。

许多精密测试和测量仪器（如源表或电源）需要进行多象限操作，以获取并测量正负信号。这就需要从单个具有低噪声的正电源输入有效地生成正负电源。让我们以需要从单个正输入电源生成双极性电源的系统为例。图 1 显示的电源解决方案可产生±15 V 和±5 V 并使用正负 LDO 稳压器过滤 / 减少开关纹波，以及生成 5 V、3.3 V 或 1.8 V 等其他电源轨，为信号调理电路或 ADC 和 DAC 供电。

此处所示的电源轨解决方案使用 LTpowerCAD 中的系统设计工具设计。LTpowerCAD 设计工具是一款完整的电源设计工具程序，可使用显著简化许多电源产品的电源设计任务。

LTM8049 和 ADP5070/ADP5071 允许我们采用单个正输入，将其提升为所需的正电源和反转生成负电源。LTM8049 是μModule 解决方案，可显著简化所需的元件数——只需添加输入和输出电容。除了简化为开关稳压器选择元件和电路板布局方面的设计挑战，LTM8049 还可最大限度地减少生成双极性电源所需的 PCB 尺寸和物料。要在更轻负载(<~100 mA)下提供高效率，ADP5070/ADP5071 是更好的选择。尽管 ADP5070 解决方案需要更多的外部元件，例如电感和二极管，但它允许对电源解决方案进行更多的定制。ADP5070 和 LTM8049 都具有同步引脚，可用于同步开关频率和 ADC 的时钟以避免在 ADC 的敏感期切换内部 FET。这些稳压器在负载电流为数百 mA 时的高效率使其成为精密仪器电源的理想之选。

LT3032 在单个封装中集成了正负电压低噪声且具备宽工作范围的 LDO 稳压器。LT3023 集成了两个低噪声、正电压 LDO 且具备宽工作范围的稳压器。两个 LDO 稳压器都配置为以最小压降(~0.5 V)操作以实现最高效率，同时提供良好的开关电源的纹波抑制。两个 LDO 稳压器都采用小型 LFCSP 封装，可减少 PCB 尺寸和简化物料清单。如果 LDO 稳压器需要更高的 PSRR 来进一步减少 MHz 范围内的开关纹波，则应考虑 LT3094/LT3045 等 LDO 稳压器。选择 LDO 级中所需要的 PSRR 将取决于用电源轨供电的 ADC、DAC 和放大器等元件的 PSRR。一般而言，由于静态电流较高，PSRR 越高，LDO 稳压器的效率越低。

CN-0345 和 CN-0385 是两个通过使用 ADP5070 实施此解决方案的参考设计示例。这些设计用于使用精密 ADC（如 18/20 位 AD4003/AD4020）进行精密多通道数据采集。在 CN-0345 中，LC 储能电路用于从 ADP5070 过滤开关纹波，代替使用 LDO 稳压器，如图 1 所示。在参考设计 CN-0385 中，在 ADP5070 后面使用正负电压 LDO 稳压器（ADP7118 和 ADP7182）过滤开关纹波。使用 ADP5070 对 AD5791 等双极性 20 位精密 DAC 供电的示例可在此处的评估板用户指南中找到。

这些示例说明在使用 ADP5070 等开关稳压器在数据采集和精密供电 / 源等应用中生成双极性电源时，如何保持高精密性能。

隔离双极性电源

出于安全原因需要隔离精密测试和测量仪器时，通过隔离器件有效的提供充足供电将是一个挑战。在多通道隔离仪器中，通道间隔离意味着每个通道都要有一个电源解决方案。这就需要一个紧凑的电源解决可以提供有效的供电。图 2 显示使用双极性供电轨提供隔离电源的解决方案。

图 2. 具有低电源纹波的隔离双极性电源系统的电源解决方案。

ADuM3470 和 LTM8067 使我们能够跨越隔离在 5 V 隔离输出端高效提供达~400 mA 的电源。LTM8067 是μModule 解决方案，集成了变压器和其他简化隔离电源解决方案设计和布局的元件，同时最大限度地减少了 PCB 尺寸和物料清单。LTM8067 隔离高达 2 kV rms。为了获得更低的输出纹波，LTM8068 集成了输出 LDO 稳压器，以 300 mA 的更低输出电流为代价，将输出纹波从 30 mV rms 减少到 20 μV rms。

ADuM3470 系列使用外部变压器提供隔离电源，同时集成数字隔离通道用于对 ADC 和 DAC 进行数据传输和控制。根据隔离解决方案的配置方式，隔离电源输出可以沿用类似图 1 的电源解决方案，如图 2 所示从单个正电源在隔离侧生成±15 V 电源轨。或者，ADuM3470 设计也可配置为直接生成双极电源，无需额外开关级。这就以效率为代价获得更小的 PCB 面积解决方案。ADuM3470 可隔离高达 2.5 kV rms，而 ADuM4470 系列可用于高达 5 kV rms 的更高电平的电压隔离。

CN-0385 是实施 ADuM3470 解决方案的参考设计示例，如图 2 所示。ADP5070 在隔离侧用于从隔离的 5.5 V 生成双极性±16 V 电源轨。ADuM3470 中也包括此参考设计使用的数字隔离通道。使用 ADuM3470 的类似设计为 CN-0393。这是基于 ADAQ7980/ADAQ7988 μModule ADC 的多通道隔离数据采集系统。 在此设计中，ADuM3470 配置有外部变压器和肖特基二极管全波整流器以直接生成±16.5 V 电压，无需额外稳压器级。这允许以降低效率为代价获得空间较小的解决方案。类似解决方案如 CN-0292 中所示，这是一个基于 AD7176 ∑-Δ ADC 的 4 通道数据采集解决方案，以及如 CN-0233 中所示，其中突出显示了 16 位双极性 DAC 的相同隔离电源解决方案。

这些示例显示如何提供隔离电源，以实现隔离数据采集或隔离电源的精密性能，同时保持较小的 PCB 尺寸或高电源效率。

有效降压和低噪声的 Silent Switcher 架构

在图 1 所示的电源方案中，LDO 稳压器用于从 15 V 电压降至 5 V/3.3 V 电压。这并非是生成这些低电压轨非常有效的方式。使用 Silent Switcher、μModule 稳压器 LTM8074 提高降至更低电压的高效率解决方案如图 3 所示。

图 3. 在低 EMI 的情况下将电压降至更低电压轨的电源解决方案。

LTM8074 是采用小型 4 mm × 4 mm 尺寸 BGA 封装的 Silent Switcher、μModule 降压稳压器，能够以低辐射噪声提供高达 1.2 A 电流。Silent Switcher 技术可以抵消开关电流产生的杂散场，由此减少传导和辐射噪声。此μModule 设备效率高且具有极低的辐射噪声，因此是为噪声敏感精密信号链供电的绝佳选择。根据连接到放大器、DAC 或 ADC 等由电源供电元件的 PSRR，也许可以从 Silent Switcher 输出端直接为其供电，无需 LDO 稳压器进一步过滤电源纹波，而传统开关需要这样做。1.2 A 的高输出电流也意味着在需要的情况下，它可用于为 FPGA 等系统中的数字硬件供电。LTM8074 的小尺寸和高集成度使其非常适合空间受限应用，同时简化并加速开关稳压器电源的设计和布局。

如果需要牺牲 PCB 面积进行更多定制，则可使用 LT8609S 等产品实现 Silent Switcher 设备的分立实施。这些产品包括展频模式，可在开关频率下在频段上扩散纹波能量。这可降低精密系统电源中出现的杂散的幅度。

将 Silent Switcher 技术与μModule 解决方案中的高集成度相结合，可应对精密应用（如多通道源表）对密度不断增长的需求的挑战，而不会影响系统设计人员需要实现的高分辨率性能水平。

结论

为精密电子测试和测量供电的隔离双极性电源系统需要在系统性能、保持小尺寸和电源效率之间实现平衡。我们在这里展示了一些解决方案和产品，可帮助应对这些挑战，并允许系统设计人员做出正确的权衡。