用于精密测试和测量系统的双极性电源解决方案

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水平的电源解决方案，以免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，产生双极性和/或隔离的系统电源在电路板面积、开关纹波、EMI和效率方面给系统设计人员带来了挑战。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，而不会受到开关电源的杂散纹波音的破坏。源测量单元和直流源/电源对最小化高分辨率DAC信号链上的杂散输出纹波有类似的要求。在精密测试和测量仪器中，还有一种趋势是通道数增加，以增加并行测试。在电气隔离应用中，这些多通道仪器对通道间隔离的需求越来越大，其中必须基于每个通道产生功率。这推动了需要越来越小的PCB尺寸同时保持性能的解决方案。在这些应用中实施低噪声电源解决方案可能会导致PCB占位面积大于预期和/或过度使用LDO稳压器或滤波电路而导致电源效率低下。

例如，在1 MHz时纹波为5 mV的开关电源轨需要LDO稳压器和供电ADC的组合电源抑制比（PSRR）为60 dB或更高，以将ADC输出端的开关纹波降至5 μV或更低。对于高分辨率18位ADC，这只是LSB的一小部分。

幸运的是，有一些解决方案通过与μModule器件和组件的更高水平的电源解决方案集成来简化这项任务，这些器件和组件在降低辐射噪声和开关纹波的同时提供了更高的效率，例如静音开关器件和高电源抑制比（PSRR）LDO稳压器。®®

许多精密测试和测量仪器（如源测量单元或电源）需要多象限操作来源和测量正负信号。这要求从单个正电源输入以低噪声和高效方式产生负电源和正电源。让我们考虑一个需要从单个正输入电源产生双极性电源的系统。图1显示了产生±15 V和±5 V电源解决方案，并使用正负LDO稳压器滤除/降低开关纹波，并产生5 V、3.3 V或1.8 V等附加电源轨，为信号调理电路或ADC和DAC供电。

图1.用于非隔离式双极性电源系统（±15 V 和 ±5 V）的电源解决方案，具有低电源纹波。

此处显示的电源轨解决方案是使用系统设计器设计的，可在LTpowerCAD®.LTpowerCAD设计工具是一个完整的电源设计工具程序，可以显著简化许多电源产品的电源设计任务。®

LTM8049 和 ADP5070 / ADP5071 允许我们获取单个正输入，将其升压至所需的正电源，然后反相以产生负电源轨。LTM8049 是一款 μModule 解决方案，它大大简化了实现此目的所需的组件数量 — 我们只需要添加输入和输出电容器即可。除了简化开关稳压器组件选择和电路板布局方面的设计挑战外，LTM8049 还最大限度地减少了产生双极性电源所需的 PCB 占板面积和物料清单。当需要较轻负载（<~100 mA）时的效率时，ADP5070/ADP5071是更好的选择。虽然ADP5070解决方案需要更多的外部元件，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 均具有同步引脚，可用于将开关频率与 ADC 的时钟同步，以避免在 ADC 的敏感时间段内切换内部 FET。这些稳压器在几 100 mA 负载电流下的高效率使其成为精密仪器电源的理想选择。

LT3032 在具有宽工作范围的单个封装中集成了一个正低噪声和负低噪声 LDO 稳压器。LT3023 集成了两个具有宽工作范围的低噪声、正 LDO 稳压器。两个LDO稳压器均配置为以最小的裕量（~0.5 V）工作，以最大限度地提高效率，同时从开关稳压器级提供良好的纹波抑制。两款LDO稳压器均采用小型LFCSP封装，可减小PCB占板面积并简化物料清单。如果LDO稳压器需要更高级别的PSRR以进一步降低MHz范围内的开关纹波，则应考虑使用LDO稳压器，如LT3094 / LT3045。LDO级所需的PSRR取决于元件的PSRR，如由电源轨供电的ADC、DAC和放大器。通常，由于静态电流较高，PSRR LDO稳压器的效率较低。

CN-0345和CN-0385是使用ADP5070实现该解决方案的两个参考设计示例。这些设计适用于使用精密ADC（如18/20位AD4003/AD4020）进行精密多通道数据采集。在CN-0345中，使用LC谐振电路滤除来自ADP5070的开关纹波，而不是使用LDO稳压器，如图1所示。在参考设计CN-0385中，在ADP5070之后使用正和负LDO稳压器（ADP7118和ADP7182）来滤除开关纹波。使用ADP5070为AD5791等双极性20位精密DAC供电的示例，请参见此处的评估板用户指南。

这些示例展示了在数据采集和精密电源/源等应用中使用ADP5070等开关稳压器产生双极性电源时，如何保持高水平的精密性能。

隔离式双极性电源

当精密测试和测量仪器出于安全原因需要隔离时，这给通过隔离栅高效提供足够功率带来了挑战。在 多 通道 隔离 仪器 中， 通道 间 隔离 表示 每 通道 的 电源 解决 方案。这就需要一种能够高效供电的紧凑型电源解决方案。图2显示了利用双极性电源轨提供隔离电源的解决方案。

图2.用于隔离式双极性电源系统的电源解决方案，具有低电源纹波。

ADuM3470和LTM8067允许我们在5 V隔离输出下高效通过隔离栅提供高达~400 mA的功率。LTM8067 是一款集成了变压器和其他组件的 μModule 解决方案，可简化隔离式电源解决方案的设计和布局，同时最大限度地减小 PCB 占板面积和物料清单。LTM8067可隔离高达2 kV rms的电压。为实现更低的输出纹波，LTM8068集成了一个输出LDO稳压器，可将输出纹波从30 mV rms降至20 μV rms，但输出电流较低至300 mA。

ADuM3470系列使用外部变压器提供隔离电源，同时还集成数字隔离通道，用于ADC和DAC的数据传输和控制。根据隔离解决方案的配置方式，隔离电源输出之后可以采用类似于图1的电源解决方案，如图2所示，从单个正电源在隔离侧产生±15 V电源轨。或者，ADuM3470设计可配置为直接产生双极性电源，无需额外的开关级。这导致以牺牲效率为代价的更小的PCB面积解决方案。ADuM3470的隔离电压高达2.5 kV rms，但ADuM4470系列可用于高达5 kV rms的更高级别的电压隔离。

CN-0385是实现ADuM3470解决方案的参考设计示例，如图2所示。ADP5070采用隔离侧，从隔离式5.5 V电源轨产生双极性±16 V电源轨。该参考设计利用了ADuM3470中包含的数字隔离通道。使用ADuM3470的类似设计是CN-0393。这是一款基于ADAQ7980/ADAQ7988 μModule ADC的组隔离数据采集系统。在此设计中，ADuM3470配置了一个外部变压器和肖特基二极管全波整流器，可直接产生±16.5 V电压，无需额外的稳压器级。这允许以较低的效率为代价实现更小的占地面积解决方案。CN-0292（基于AD7176 Σ-Δ ADC的4通道数据采集解决方案）和CN-0233（重点介绍了16位双极性DAC的相同隔离电源解决方案）给出了类似的解决方案。

这些示例展示了如何在隔离式数据采集或隔离式电源中提供隔离电源以实现精密性能水平，同时保持较小的PCB占位面积或高水平的电源效率。

静音切换器架构，高效降压，低噪声

在图1所示的电源方案中，LDO稳压器用于从15 V降压至5 V/3.3 V。这不是产生这些低压轨的非常有效的方法。图3显示了使用静音开关μModule稳压器LTM8074提高降压至较低电压效率的解决方案。

图3.用于降压至低 EMI 的较低电压轨的电源解决方案。

LTM8074是一款静音开关、μModule降压型稳压器，采用小型4 mm×4 mm基底面BGA封装，能够提供高达1.2 A的电流和低辐射噪声。静音开关技术可消除开关电流产生的杂散场，从而降低传导和辐射噪声。该μModule器件的高效率和极低的辐射噪声使其成为为噪声敏感型精密信号链供电的理想选择。根据连接到输出电源的元件（如放大器、DAC或ADC）的PSRR，可以直接从静音开关稳压器输出为其供电，而无需像传统开关稳压器那样使用LDO稳压器来进一步滤除电源纹波。其 1.2 A 的高输出电流也意味着如果需要，它可用于为 FPGA 等系统中的数字硬件供电。LTM8074 的小占板面积和高集成度使其成为空间受限型应用的理想选择，同时简化并加快了开关稳压器电源的设计和布局。

如果需要以牺牲PCB面积为代价进行更大的定制，则可以通过使用LT8609S等产品来实现静音开关器件的分立实现。这些产品包括扩频模式，用于将开关频率处的纹波能量分散到一个频带上。这降低了电源在精密系统中出现的杂散音调的幅度。

静音开关稳压器技术与μModule解决方案中的高集成度相结合，解决了精密应用（如多通道源测量单元）密度需求不断增加的挑战，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

生成具有隔离的双极性电源系统，用于精密电子测试和测量，可以在系统性能、保持小尺寸和电源效率之间取得平衡。在这里，我们展示了有助于应对这些挑战并允许系统设计人员做出正确权衡的解决方案和产品。

审核编辑：郭婷