信號(hào)鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計(jì)所需的所有精度

信號(hào)鏈精度是轉(zhuǎn)換器性能的關(guān)鍵考核指標(biāo)，毋庸置疑，電路設(shè)計(jì)中電源質(zhì)量對精度的影響起到舉足輕重的作用。一般而言，電源質(zhì)量以噪聲大小進(jìn)行衡量，而電源拓?fù)浼捌浼軜?gòu)又與電源噪聲密不可分。本文將各種電源構(gòu)架及其特點(diǎn)做詳細(xì)闡述，同時(shí)從實(shí)際案例需求出發(fā)，解析電源選擇的適配性。

電源噪聲會(huì)影響信號(hào)鏈的處理增益，而處理增益本質(zhì)上意味著以轉(zhuǎn)換器支持的精度從不相關(guān)的噪聲中提取盡可能多的有用信息，實(shí)際上處理過程中獲得的信息永遠(yuǎn)不會(huì)比使用原始樣本數(shù)據(jù)獲得的信息多，這也是有效位數(shù)的概念?？偠灾?、采樣率、有效位數(shù)、有效帶寬幾者之間有不可分割的關(guān)系。

如圖1所示，假設(shè)選擇24位5MSPS SAR轉(zhuǎn)換器，希望查看1MHz左右的信號(hào)，對此進(jìn)行分析：24位的動(dòng)態(tài)范圍是144dB，頻譜分析儀圖中得到儀器本底噪聲約為133dB，可以實(shí)現(xiàn)大約22位精度。若使用單電感多輸出或SIMO轉(zhuǎn)換器，輸出紋波約為115dB，或大約19位，根據(jù)電源抑制比將獲得19至22位的有效位數(shù)。若4倍耐奎斯特頻率才能換回1bit，如果有無限PSRR，使用16倍過采樣以換回2bits的話，目標(biāo)帶寬將被限制為312kHz，無PSRR的話將需要80倍過采樣，那么有效帶寬約為62.5kHz，而我們的目標(biāo)帶寬是1MHz。由此可見，電源質(zhì)量對于信號(hào)鏈精度和帶寬真的很重要。

圖1. 電源質(zhì)量VS 有效位數(shù)VS 有效帶寬

電源轉(zhuǎn)換器概述

以信號(hào)是否被隔離角度劃分，轉(zhuǎn)換器分為非隔離型和隔離型兩大類，表1示例了常見的轉(zhuǎn)換器類型。電路類型不同，轉(zhuǎn)換特點(diǎn)不同，節(jié)點(diǎn)噪聲也各有特點(diǎn)。非隔離拓?fù)渲饕獦?gòu)成元件為電感、開關(guān)管和電容；隔離拓?fù)渲饕獦?gòu)成為變壓器、開關(guān)管和電容。

LDO是線性轉(zhuǎn)換器，并未添加至如下拓?fù)漕愋椭?。?fù)載電流較小，如十幾或幾十mA，輸入加電壓差大于最高供電軌的應(yīng)用情況下會(huì)使用LDO，但LDO不能產(chǎn)生負(fù)電壓軌。低頻時(shí)，LDO具有很好的噪聲性能。

表1. 轉(zhuǎn)換器拓?fù)涓攀?/span>

非隔離型 降壓型轉(zhuǎn)換器(Buck)

降壓型轉(zhuǎn)換器V_IN總是大于V_OUT，由于最小占空比限制的存在，在給定的工作頻率下無法實(shí)現(xiàn)大壓差轉(zhuǎn)換，比如50V轉(zhuǎn)換至1V的情況。

如圖2所示，不同顏色標(biāo)示了轉(zhuǎn)換器因開關(guān)管開通與關(guān)斷產(chǎn)生的電流路徑，用不同顏色標(biāo)示幾個(gè)環(huán)路，分別用紅色，藍(lán)色，橙色和綠色表示：

圖2. 降壓型轉(zhuǎn)換器

紅色環(huán)路：控制開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)的電流路徑。輸入端有開關(guān)與之串聯(lián)，故輸入端口為高噪聲節(jié)點(diǎn)；

藍(lán)色環(huán)路：控制開關(guān)管S1斷開、開關(guān)管S2導(dǎo)通時(shí)的電流路徑。輸出端與二階LC濾波器串聯(lián)，故此節(jié)點(diǎn)噪聲較低；

橙色節(jié)點(diǎn)：開關(guān)管S1和S2的高頻切換使得此節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生高頻電壓交替變化，故此節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生高頻輻射，PCB布局時(shí)需保持盡可能小的尺寸；

綠色環(huán)路：此環(huán)路一般稱為熱環(huán)路，也稱為高di/dt環(huán)路。對于降壓轉(zhuǎn)換器，它的輸入側(cè)是熱環(huán)路。該環(huán)路存在快速邊沿切換的電流，時(shí)域中的邊沿跳變相當(dāng)于頻域中的廣泛頻譜，因此，為避免高頻噪聲，PCB布局時(shí)應(yīng)最大程度的減少該環(huán)路的物理尺寸。

降壓型轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用場景為：1. 輸入范圍較寬；2. 系統(tǒng)希望的效率遠(yuǎn)大于LDO可提供的效率；3. 系統(tǒng)需要干凈的輸出。

對于內(nèi)部補(bǔ)償?shù)慕祲盒推骷?，?dāng)占空比遠(yuǎn)大于50%時(shí)對其進(jìn)行補(bǔ)償可能很棘手，同時(shí)我們還希望避免出現(xiàn)低頻振蕩。

推薦型號(hào)

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，寬輸入電壓范圍，同步

LT8609S：42V_IN/2A，獨(dú)特的 Silent Switcher 2 架構(gòu)

升壓型轉(zhuǎn)換器(Boost)

升壓型轉(zhuǎn)換器的V_IN總是小于V_OUT。由于最大占空比限制的存在，使用者無法獲得想要的任意高電壓。

如圖3所示，升壓型拓?fù)渲蠸2是控制開關(guān)，與降壓型拓?fù)漭^為類似，表現(xiàn)為在X軸上進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)。輸入端與LC濾波器串聯(lián)，故輸入節(jié)點(diǎn)為安靜節(jié)點(diǎn)，而輸出端與開關(guān)串聯(lián)，因此會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲。

圖3. 升壓型轉(zhuǎn)換器

一般而言，負(fù)載需要的電壓高于輸入電壓或希望創(chuàng)建較高的中間總線電壓時(shí)會(huì)選擇升壓型轉(zhuǎn)換器。升壓型電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使輸出熱環(huán)路尺寸盡可能小以降低輻射噪聲。另外，需要注意的是反饋節(jié)點(diǎn)，反饋產(chǎn)生的輸出電壓可能高至足以破壞開關(guān)以及下游任何器件的程度，若反饋節(jié)點(diǎn)短路，電路會(huì)受到破壞性電壓的影響。

推薦型號(hào)

LT8330：60V/1A（開關(guān)），小尺寸，非同步升壓轉(zhuǎn)換器

LT3461：40V/250mA（開關(guān)），小尺寸，集成肖特基二極管

LT8410：42V/25mA（開關(guān)），超小尺寸，同步升壓轉(zhuǎn)換器

LT8338：40V/1.2A（開關(guān)），小尺寸，同步升壓轉(zhuǎn)換器

SEPIC轉(zhuǎn)換器

SEPIC是單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器的首字母縮寫。SEPIC轉(zhuǎn)換器的輸入V_IN可以高于、等于或低于輸出V_OUT，由于最大和最小占空比限制的存在，降壓和升壓的最高及最低值也會(huì)有所限制。

如圖4所示，熱環(huán)路于輸出側(cè)，存在兩個(gè)輻射開關(guān)節(jié)點(diǎn)，輸出側(cè)噪聲較高。工作于降壓模式時(shí)，降壓型輸出側(cè)安靜的特點(diǎn)并未改變，畢竟輸出側(cè)有電感的存在。

圖4. SEPIC轉(zhuǎn)換器

可以注意到電容與循環(huán)熱環(huán)路串聯(lián)，轉(zhuǎn)換器適應(yīng)于輸入到輸出沒有直流短路路徑的場合?？梢栽赟EPIC拓?fù)渲惺褂?a href="http://ttokpm.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合電感以獲得更佳的噪聲性能。此電路基于升壓器件構(gòu)建，因此即使提供降壓功能，但若反饋節(jié)點(diǎn)短路，仍然會(huì)受到破壞性電壓的影響。

Cuk轉(zhuǎn)換器

Cuk轉(zhuǎn)換器根據(jù)拓?fù)浒l(fā)明人庫克而命名。Cuk電路將正電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電壓，相當(dāng)于反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Cuk和SEPIC極為接近，只是輸出開關(guān)和頂部電感交換了位置，消除了V_OUT和接地連接，因此分析Cuk的方式與SEPIC雷同，只不過要在輸出電壓上添加負(fù)號(hào)。

如圖5所示，輸入和輸出均與LC濾波器串聯(lián)，并且兩個(gè)開關(guān)都與地串聯(lián)，因此這是一個(gè)較為安靜的轉(zhuǎn)換器。熱環(huán)路的物理尺寸必須很小，雖然有兩個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)但輸入或輸出端口不會(huì)傳導(dǎo)快速邊沿噪聲。需要正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓或希望輸出噪聲較低或不希望向輸入傳導(dǎo)噪聲的應(yīng)用中，此拓?fù)涫莻€(gè)不錯(cuò)選擇。

圖5. Cuk轉(zhuǎn)換器

此拓?fù)涞拈_關(guān)總應(yīng)力等于V_IN+|-V_OUT，而非V_IN+（-V_OUT），比如將36V轉(zhuǎn)換為-36V，開關(guān)應(yīng)力則為72V加上開關(guān)過沖。因此，若使用此電路，需要選擇一款具有適當(dāng)開關(guān)電壓額定值的升壓器件。

推薦型號(hào)：

LT8330：小尺寸，非同步，60V/1A（開關(guān)型）

LT3471：雙SEPIC/Cuk，42V/1.3A（開關(guān)型）

LT3483：超小尺寸，逆變器，40V/400mA（開關(guān)型）

LT8362：小尺寸，非同步，60V/2A（開關(guān)型）

反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將正電壓轉(zhuǎn)為負(fù)電壓，V_OUT連接到地，表現(xiàn)為-V_OUT，V_IN的幅值總是大于-V_OUT的幅值。開關(guān)管S1和S2分別與輸入和輸出串聯(lián)，因此，兩個(gè)端口都會(huì)傳導(dǎo)快速邊沿紋波噪聲。

如圖6所示，需要負(fù)供電軌且空間及其受限的場合可以使用此拓?fù)?，它看似像降壓型但并非降壓型。除增加的一個(gè)電容外，尺寸與降壓型相同，有些高壓降壓型器件可以照此應(yīng)用以獲得負(fù)供電軌。

圖6. 反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

對于此拓?fù)?，有幾點(diǎn)需要注意：1.器件上所有接地引腳都未接系統(tǒng)地；2.正常工作的前提是需要添加啟動(dòng)電容；3. V_IN降壓為-V_OUT，但實(shí)際運(yùn)行在升壓模式下，這意味會(huì)引入RHPC，導(dǎo)致補(bǔ)償比降壓型更為復(fù)雜。

隔離型 反激式轉(zhuǎn)換器(Flyback)

反激式是基于升壓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而建立，不同點(diǎn)是通過變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，占空比約束發(fā)生變化，占空比與繞組比成比例，可以獲得幾乎任何V_IN/V_OUT比。

如圖7所示，反激型有兩個(gè)熱環(huán)路，一個(gè)在輸入端，一個(gè)在輸出端，這些環(huán)路需要最小化，而變壓器的大小有時(shí)會(huì)使這一任務(wù)具有挑戰(zhàn)性。開關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很大的反激脈沖，反激脈沖與輸出電流成比例，需要調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行緩沖，并且這些元件有時(shí)也會(huì)有輻射。

圖7. 反激式轉(zhuǎn)換器

后平面和熱側(cè)之間需要直流隔離時(shí)，用于現(xiàn)場或儀器控制中，可以使用反激型。當(dāng)需要隔離也可以使用反激型，但輸入輸出范圍必須比較寬，例如產(chǎn)生數(shù)百伏或數(shù)千伏電壓。該拓?fù)渫休^高的共模漏電流，因此，在具有安全標(biāo)準(zhǔn)額定值的系統(tǒng)中使用時(shí)需要注意這一點(diǎn)。

由于輸出脈沖無固有連接，因此，對于任何極性甚至帶有額外繞組的多個(gè)極性，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以是次級(jí)側(cè)。另外，非光學(xué)反饋器件的電壓和負(fù)載調(diào)整往往比直接反饋更為柔和。

推薦型號(hào)：

LT8301：非光學(xué)/單片，42V/6W

LT3511：非光學(xué)/單片，100V/2.5W

LTC3803：非光學(xué)/控制器，75V/15W

LT3001：非光學(xué)/單片，36V/4W

推挽式轉(zhuǎn)換器

同反激式拓?fù)湟粯?，推挽型拓?fù)湟彩鞘褂米儔浩髡{(diào)整輸出，但是這種拓?fù)涞墓ぷ鞣绞經(jīng)Q定了其占空比最大值為50%。

如圖8所示，推挽型有兩個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)，次級(jí)側(cè)存在與輸出串聯(lián)的LC濾波器，因此當(dāng)需要安靜的輸出時(shí)此拓?fù)浜苡杏?，這使它很受需要隔離的信號(hào)鏈應(yīng)用的歡迎。輸入側(cè)有一個(gè)熱環(huán)路，所示的簡化模型顯示了循環(huán)熱環(huán)路，每一次傳導(dǎo)的時(shí)間是一半，因此，熱環(huán)路實(shí)際上是兩個(gè)半周期環(huán)路的疊加。

圖8. 推挽式轉(zhuǎn)換器

當(dāng)需要直流隔離同時(shí)希望降低輸出噪聲和共模漏電流時(shí)，通常會(huì)選擇推挽型結(jié)構(gòu)。與此拓?fù)湎嚓P(guān)的考慮是占空比限制，若總線變化，可能會(huì)導(dǎo)致次級(jí)側(cè)偏差，而占空比鉗位在50%。另外，用于此拓?fù)涞淖儔浩饔袝r(shí)可能較大，相對于傳輸相同功率量的反激型而言，推挽電路具有較低共模漏電流。

推薦型號(hào)：

LT3999：可編程電流限值，F(xiàn)sync最高1MHz，2.7V-36VIN/雙通道1A（開關(guān)）

MAX13253：低噪聲控制的擺率，250/600KHz，帶擴(kuò)頻，3.0V/5.5Vin/雙通道1A（開關(guān)）

MAX256：簡單的低噪聲隔離，3.3V/5V_IN – 3W

4開關(guān)降壓-升壓式轉(zhuǎn)換器

4開關(guān)降壓-升壓式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)與SEPIC一樣，V_IN可以高于、低于或等于V_OUT，但與SEPIC不同的是它有4個(gè)開關(guān)和1個(gè)電感。

如圖9所示，升壓模式下，左上角開關(guān)接通并保持導(dǎo)通，右側(cè)兩個(gè)管換相，表現(xiàn)為傳統(tǒng)的升壓型結(jié)構(gòu)。降壓模式下，右上角開關(guān)接通并保持導(dǎo)通，左側(cè)換相，表現(xiàn)為傳統(tǒng)的降壓操作。當(dāng)V_IN接近V_OUT時(shí)，所有四個(gè)開關(guān)都換相調(diào)節(jié)平均電壓。

圖9. 4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

降壓模式下熱環(huán)路在輸入側(cè)，右側(cè)開關(guān)產(chǎn)生輻射；升壓模式下熱環(huán)路在輸出側(cè)，左側(cè)開關(guān)產(chǎn)生輻射。四開關(guān)模式下，兩個(gè)熱環(huán)路都處于活動(dòng)狀態(tài)，并且兩個(gè)開關(guān)都產(chǎn)生輻射。在升壓和降壓-升壓模式下，輸出側(cè)確實(shí)有一個(gè)熱環(huán)路，但與SEPIC不同，在降壓模式下輸出側(cè)沒有熱環(huán)路。

若需要類似SPEIC這樣的解決方案但要求尺寸較小時(shí)，可以選擇此結(jié)構(gòu)，畢竟僅有一個(gè)電感。需要注意的是在模式轉(zhuǎn)換期間，可能有短暫的頻譜成分，ADI公司新一代器件已經(jīng)消除了很多此類問題，當(dāng)然并非每家廠商都會(huì)這么做。

另外，上方開關(guān)接通并保持導(dǎo)通，頂部驅(qū)動(dòng)器必須定期刷新以使該開關(guān)不是一直完全斷開。此外，為防止模式改變期間發(fā)生震顫，模式轉(zhuǎn)換會(huì)有一定滯回，在緩慢變化的輸入上操作的時(shí)間可能較長。

推薦型號(hào)：

LT3433：4-60V_IN/3.3-20V_OUT，可選升壓模式，500mA（開關(guān)）

LTC3114-1：40V_IN/40V_OUT，可編程均值Iout，1A（降壓）/1.7A（開關(guān)）

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

電源樹

了解了基本轉(zhuǎn)換類型及噪聲與輸入和輸出的關(guān)系后，需要考慮如何在系統(tǒng)中將這些類型靈活應(yīng)用、整合且建立一個(gè)完整的電源系統(tǒng)。一般做法是畫出系統(tǒng)示意圖，也稱為電源樹，按照系統(tǒng)化方法進(jìn)行分解和分析，確定電源方案合理性。

建立電源樹時(shí)需要確定系統(tǒng)的輸入電壓特點(diǎn)，固定輸入還是有較寬輸入范圍？需要確定系統(tǒng)信號(hào)鏈需要的電源特點(diǎn)，正電壓還是負(fù)電壓？電流的消耗多大？預(yù)期噪聲水平和在信號(hào)鏈中需要的最高精度等。

ADI提供設(shè)計(jì)工具Power CAD幫助使用者進(jìn)行假設(shè)分析和迭代設(shè)計(jì)，助力提供合理的電源方案。

案例研究 Ⅰ

輸入：12-36V_IN

輸出：5VA/10mA（噪聲非常低）；-2.5VS/5mA（噪聲非常低）；1.8VDDIO/15mA（無關(guān)緊要）

設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)：尺寸 > 噪聲 > 效率 > 成本

設(shè)計(jì)策略：

降壓：寬V_IN，低輸出噪聲

LDO：輸出噪聲非常低

電荷泵逆變器+LDO：小尺寸、低成本

如圖10所示，此案例中V_IN是寬電壓輸入，因此選擇降壓型結(jié)構(gòu)；二是需要最佳噪聲，因此選擇LDO；最后，需要負(fù)供電軌，因此使用電荷泵反相器?；诖朔治觯瑯?gòu)建了如下電源樹，但是發(fā)現(xiàn)雖然LT8618降壓轉(zhuǎn)換器的輸入噪聲和反相電荷泵ADP3605的輸出噪聲均被LDO阻擋，但反相器ADP3605的輸入噪聲毀壞了所提供的所有增益。

為解決反相器輸入噪聲過大的問題，可以使用反相降壓升壓或Cuk轉(zhuǎn)換器。如圖11所示，Cuk轉(zhuǎn)換器具有更低的輸入噪聲，可以將高開關(guān)電壓Cuk放在第一級(jí)以獲得更高效率，或考慮到開關(guān)電壓較小而放在第二級(jí)。綜合考慮設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)，尺寸是最高優(yōu)先級(jí)，因此把它放在第二級(jí)。LDO要比降壓轉(zhuǎn)換器解決方案小很多。

總結(jié)案例研究Ⅰ，需要清楚了解轉(zhuǎn)換器的噪聲特性，比如電荷泵在輸入端和輸出端都有高噪聲；再是清楚設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)，比如雖然降壓轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)更高，但對于功耗只有幾毫安的應(yīng)用，效率差異不會(huì)轉(zhuǎn)化為很多熱量，LDO更為適宜。

圖10. 案例分析

圖11. 案例分析

案例研究 Ⅱ

輸入：5V_IN和3.3Vin固定

輸出：12VAMP/50mA（噪聲非常低）；8VA/35mA（噪聲非常低）；5VC/15mA（低噪聲）；2.5VL/8mA（無關(guān)緊要）

設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)：噪聲 > 尺寸 > 效率 > 成本

設(shè)計(jì)策略：

升壓：5V需要升壓

LDO：輸出噪聲非常低

本案例中噪聲最受關(guān)注，因此必須使用LDO，同時(shí)又有升壓要求，故選用LDO和升壓轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)最低輸出噪聲。但不足之處是此方案使用了3個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器和4個(gè)LDO，如圖12所示。

為簡化方案，可以考慮中間總線加雙降壓策略，如圖13所示。對電源樹進(jìn)行優(yōu)化，使用LT8338將電壓升至中間母線電壓，再通過降壓轉(zhuǎn)換器LTC3104和雙LDO LT3027給負(fù)載供電。此設(shè)計(jì)中LDO實(shí)現(xiàn)了低噪聲要求，降壓轉(zhuǎn)換器給不需要大量降噪的負(fù)載供電，提供較高的效率。

圖12. 案例分析（3路升壓+4路LDO）

圖13. 案例分析（中間母線方案）

總結(jié)

為驗(yàn)證和測試實(shí)際信號(hào)鏈的噪聲性能，ADI提供了堪稱顛覆性的電源硬件評估平臺(tái)，利用上述討論的拓?fù)洹⑵骷约案鞣N電路板硬件創(chuàng)建電源樹，并與實(shí)驗(yàn)室電源連接進(jìn)行評估。為驗(yàn)證降噪策略，ADI還提供了定制的二階LCR濾波器試驗(yàn)板進(jìn)行噪聲評估及測試。該平臺(tái)提供了一套完整的工程資料、全面的演示手冊和應(yīng)用指南幫助使用者根據(jù)應(yīng)用需求快速修改和配置電路。配合硬件平臺(tái)，提供的軟件工具SCP Configurator便于使用者選擇產(chǎn)品系列中的最佳器件，支持快速創(chuàng)建能夠有效工作的硬件并測試噪聲性能。

電源拓?fù)浜图軜?gòu)對噪聲和性能產(chǎn)生不同的影響，通過電源樹評定電源策略，確定適合特定的應(yīng)用。ADI旨在電源管理權(quán)衡因素中提供指導(dǎo)，幫助設(shè)計(jì)人員盡可能實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)鏈精度。