谈到“开关电源”,最先产生的两个本能反应就是“高效”和“嘈杂”这两个术语。相反,比如说“LDO”(低压差稳压器),所使用的却是“低效”和“安静”这两个相反的描述性术语。不可否认,这些套话不假,但是对待起来却要小心确认:与大多数套话一样,在某些条件和情况下也有例外。
当然,即使是用作DC/DC稳压器的低噪声开关电源,也没有线性稳压器那么安静。然而,尽管开关电源设计可能需要在某些直流电源轨上实现极低的噪声,但其通常在功耗和运行时间方面却更要做系统级的考虑。这些领域包括敏感的低电平RF前端以及精确的高分辨率A/D转换。
图1:TPS62840的STOP模式工作——蓝色是STOP引脚的输入信号,紫红色是输出电压,绿色是电感器电流,所有这些都是在(a)PFM工作和(b)强制PWM在Vin=3.6V、Vout=1.8V和Iout=10mA条件下测量得到的。测量结果包括Cout=10µF。(图片来源:德州仪器)
对RF前端来说,需要低噪声时其占空比应为100%,因此在由嘈杂的开关电源供电的拓扑中使用一个本地LDO,可能就是明智之举。此外,为防止引入噪声,该前端的导轨可能需要滤波,以及仔细的PCB走线布局或分离的电源线布线。相反,对精确的A/D转换来说,仅在转换周期本身期间才需要干净的电源,因此就是间歇性的,并且通常更新速率固定。
不管转换是“按需”完成还是正式和定期进行,多年来一直使用的一种方法是在转换周期内关闭开关电源,而使转换电路“依靠”电容器提供的无噪声电源工作。这当然是可行的,但需要对转换器的功率需求和转换周期长度进行可靠的分析,才能正确确定电容器的尺寸。
有一些IC可以简化这种方法的实现。例如,德州仪器(TI)TPS62840是一款1.8V至6.5Vin
的高效750mA降压开关电源IC,它有一个封装引脚可以控制“停止”(stop)功能,从而可以在消除开关噪声的同时允许电容器提供所需的功率(图1)。它不能提供大量电流,但是对预期的用途来说却很好。TI最近在其博文“AdvantagesoftheSTOPfunctionforlow-noisedata-acquisitionapplications”中对此进行了进一步的讨论。
显然,这是一种有吸引力的解决方案,但是在与转换有关的软件中也需要小心。在电容器电压下降影响工作之前的所有时间范围内,必须停止开关电源,启动并完成转换,并重新启动开关功能。
同样重要的是,为了确保潜在的bug或高优先级中断不会使stop或un-stop指令受到延迟,需要对软件进行适当的制定和测试。如果发生这种情况,则噪声或其他难以再现的数据可能会导致转换误差,尤其是在该问题是间歇性的情况下如此。实际上,可以通过给软件增加另一负荷来消除噪声。不然,可能就必须采用某种基于硬件的分立式定时器电路(不,价格低廉的555类定时器在这里可能不适用)。
图2:LT8614和更嘈杂的LT8610的辐射发射与CISPR25B类辐射极限的比较。(图片来源:ADI)
另一种方法是使用非常安静的开关稳压器,例如ADI公司的LT8614“SilentSwitcher”。这款42V、4A同步降压开关电源IC可以轻松超过严格的CISPR25辐射标准(
图2),此外它对于直流电源轨本身还具有低于10mVP-P、独立于负载电流的低噪声特性。设计人员必须了解转换过程中所发生的不期望噪声中有多少是从DC/DC开关电源辐射出来的,以及直流输出轨上的纹波有多少是由噪声引起的。
这些ADI公司“SilentSwitcher”的噪声衰减还有一点也很有趣,但并不令人惊讶,那就是它们如何代表了试图“竭力维持”最后一点性能改进的现实。在大多数情况下,不存在单独的“灵丹妙药”可以猛地一下使噪声大幅降低。取而代之的是,如
AnalogueDialogue文章“
SilentSwitcherDevicesAreQuietandSimple”和LTJournal文章“
SilentSwitcherMeetsCISPRClass5RadiatedEmissionsWhileMaintainingHighConversionEfficiency
”所述,更有可能是系统性地研究每个已知和可能尚未了解的噪声源,而设法将其消除。
当然,这种减少误差源的方法并不新鲜。已故的模拟设计天才JimWilliams1976年在EDN发表的首批文章中的一篇“
This30-ppmscaleprovesthatanalogdesignsaren’tdeadyet
”就是一个极好的解释。他的秤设计用于满足一些非常激进的目标:它必须轻便,成本低,能在300.00的满量程范围中分辨0.01磅(即30ppm),永远不需要校准或调整,并且具有0.02%以内的绝对精度。为了实现这一目标,他研究了第一、第二甚至第三阶误差源,并使用各种策略有条不紊地解决了它们。尽管这篇文章已经很老(已有将近50年!),元器件和技术发生了许多变化,但它所提供的基础经验仍然有效。
您是否曾经遇到过必须应对嘈杂的直流电源轨,或工作环境不达标,而无法进行精确的A/D转换和测量的情况?您是怎么处理的呢?是否有那么一步,借此就可以解决大多数或所有的问题,还是您必须使用分层的方法?
原文刊登于EDN姊妹网站EETimes美国版。
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