信號鏈的電源管理如何選？

信號鏈精度是轉換器性能的關鍵考核指標，毋庸置疑，電路設計中電源質量對精度的影響起到舉足輕重的作用。一般而言，電源質量以噪聲大小進行衡量，而電源拓撲及其架構又與電源噪聲密不可分。本文將各種電源構架及其特點做詳細闡述，同時從實際案例需求出發(fā)，解析電源選擇的適配性。

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

如圖1所示，假設選擇 24 位 5MSPS SAR 轉換器，希望查看1MHz左右的信號，對此進行分析：24位的動態(tài)范圍是144dB，頻譜分析儀圖中得到儀器本底噪聲約為133dB，可以實現(xiàn)大約22位精度。若使用單電感多輸出或SIMO轉換器，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，而我們的目標帶寬是1MHz。由此可見，電源質量對于信號鏈精度和帶寬真的很重要。

圖1. 電源質量VS 有效位數(shù)VS 有效帶寬

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【ADI信號鏈的電源管理選擇——保持設計所需的所有精度】

以信號是否被隔離角度劃分，轉換器分為非隔離型和隔離型兩大類，表1示例了常見的轉換器類型。電路類型不同，轉換特點不同，節(jié)點噪聲也各有特點。非隔離拓撲主要構成元件為電感、開關管和電容；隔離拓撲主要構成為變壓器、開關管和電容。

LDO是線性轉換器，并未添加至如下拓撲類型中。負載電流較小，如十幾或幾十mA，輸入加電壓差大于最高供電軌的應用情況下會使用LDO，但LDO不能產生負電壓軌。低頻時，LDO具有很好的噪聲性能。

表1. 轉換器拓撲概述

非隔離型

降壓型轉換器（Buck）

降壓型轉換器（Buck）降壓型轉換器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現(xiàn)大壓差轉換，比如50V轉換至1V的情況。

如圖2所示，不同顏色標示了轉換器因開關管開通與關斷產生的電流路徑，用不同顏色標示幾個環(huán)路，分別用紅色，藍色，橙色和綠色表示：

圖2.降壓型轉換器

• 紅色環(huán)路：控制開關管S1導通時的電流路徑。輸入端有開關與之串聯(lián)，故輸入端口為高噪聲節(jié)點；

• 藍色環(huán)路：控制開關管S1斷開、開關管S2導通時的電流路徑。輸出端與二階LC濾波器串聯(lián)，故此節(jié)點噪聲較低；

• 橙色節(jié)點：開關管S1和S2的高頻切換使得此節(jié)點產生高頻電壓交替變化，故此節(jié)點會產生高頻輻射，PCB布局時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。對于降壓轉換器，它的輸入側是熱環(huán)路。該環(huán)路存在快速邊沿切換的電流，時域中的邊沿跳變相當于頻域中的廣泛頻譜，因此，為避免高頻噪聲，PCB布局時應最大程度的減少該環(huán)路的物理尺寸。

降壓型轉換器的應用場景為：

1. 輸入范圍較寬；

2. 系統(tǒng)希望的效率遠大于LDO可提供的效率；

3. 系統(tǒng)需要干凈的輸出。

對于內部補償?shù)慕祲盒推骷?，當占空比遠大于50%時對其進行補償可能很棘手，同時我們還希望避免出現(xiàn)低頻振蕩。

推薦型號

• 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，獨特的 Silent Switcher 2 架構

Tips

LT8618、LT8604C均可在 ADI 中國在線商城 直接下單采購。

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升壓型轉換器（Boost）

升壓型轉換器的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，升壓型拓撲中S2是控制開關，與降壓型拓撲較為類似，表現(xiàn)為在X軸上進行了翻轉。輸入端與LC濾波器串聯(lián)，故輸入節(jié)點為安靜節(jié)點，而輸出端與開關串聯(lián)，因此會產生傳導噪聲。

圖3.升壓型轉換器

一般而言，負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會選擇升壓型轉換器。升壓型電路設計時應使輸出熱環(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，反饋產生的輸出電壓可能高至足以破壞開關以及下游任何器件的程度，若反饋節(jié)點短路，電路會受到破壞性電壓的影響。

推薦型號

• LT8330：60V/1A（開關），小尺寸，非同步升壓轉換器

• LT3461：40V/250mA（開關），小尺寸，集成肖特基二極管

• LT8410：42V/25mA（開關），超小尺寸，同步升壓轉換器

• LT8338：40V/1.2A（開關），小尺寸，同步升壓轉換器

Tips

LT8330、LT3461、LT8410、LT8338均可在 ADI 中國在線商城直接下單采購。

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SEPIC轉換器 Cuk轉換器 反相降壓-升壓轉換器

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隔離型

反激式轉換器（Flyback）

反激式是基于升壓的拓撲結構而建立，不同點是通過變壓器實現(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，反激型有兩個熱環(huán)路，一個在輸入端，一個在輸出端，這些環(huán)路需要最小化，而變壓器的大小有時會使這一任務具有挑戰(zhàn)性。開關節(jié)點會產生很大的反激脈沖，反激脈沖與輸出電流成比例，需要調節(jié)網(wǎng)絡進行緩沖，并且這些元件有時也會有輻射。

圖7.反激式轉換器

后平面和熱側之間需要直流隔離時，用于現(xiàn)場或儀器控制中，可以使用反激型。當需要隔離也可以使用反激型，但輸入輸出范圍必須比較寬，例如產生數(shù)百伏或數(shù)千伏電壓。該拓撲往往含有較高的共模漏電流，因此，在具有安全標準額定值的系統(tǒng)中使用時需要注意這一點。

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極性，任何一個節(jié)點都可以是次級側。另外，非光學反饋器件的電壓和負載調整往往比直接反饋更為柔和。

推薦型號

• LT8301：非光學/單片，42V/6W

• LT3511：非光學/單片，100V/2.5W

• LTC3803：非光學/控制器，75V/15W

• LT3001：非光學/單片，36V/4W

Tips

LT8301、LT3511、LT3803、LT3001均可在 ADI 中國在線商城直接下單采購。

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推挽式轉換器

同反激式拓撲一樣，推挽型拓撲也是使用變壓器調整輸出，但是這種拓撲的工作方式?jīng)Q定了其占空比最大值為50%。

如圖8所示，推挽型有兩個開關節(jié)點，次級側存在與輸出串聯(lián)的LC濾波器，因此當需要安靜的輸出時此拓撲很有用，這使它很受需要隔離的信號鏈應用的歡迎。輸入側有一個熱環(huán)路，所示的簡化模型顯示了循環(huán)熱環(huán)路，每一次傳導的時間是一半，因此，熱環(huán)路實際上是兩個半周期環(huán)路的疊加。

圖8. 推挽式轉換器

當需要直流隔離同時希望降低輸出噪聲和共模漏電流時，通常會選擇推挽型結構。與此拓撲相關的考慮是占空比限制，若總線變化，可能會導致次級側偏差，而占空比鉗位在50%。另外，用于此拓撲的變壓器有時可能較大，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：

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

• MAX13253：低噪聲控制的擺率，250/600KHz，帶擴頻，3.0V/5.5V_IN/雙通道1A（開關）

• MAX256：簡單的低噪聲隔離，3.3V/5V_IN – 3W

Tips

LT3999可在 ADI 中國在線商城直接下單采購。

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4開關降壓-升壓式轉換器

篇幅有限，4開關降壓-升壓式轉換器的介紹及型號推薦，請下載解決方案《信號鏈的電源管理選擇——保持設計所需的所有精度》查看完整文檔。

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電源樹

了解了基本轉換類型及噪聲與輸入和輸出的關系后，需要考慮如何在系統(tǒng)中將這些類型靈活應用、整合且建立一個完整的電源系統(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)化方法進行分解和分析，確定電源方案合理性。

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

ADI提供設計工具Power CAD幫助使用者進行假設分析和迭代設計，助力提供合理的電源方案。

解決方案《信號鏈的電源管理選擇——保持設計所需的所有精度》中分享了2個案例研究，案例1研究了轉換器的噪聲特性，比如電荷泵在輸入端和輸出端都有高噪聲；再是清楚設計優(yōu)先級，比如雖然降壓轉換器的效率會更高，但對于功耗只有幾毫安的應用，效率差異不會轉化為很多熱量，LDO更為適宜。案例2中噪聲最受關注，因此必須使用LDO，同時又有升壓要求，故選用LDO和升壓轉換器來實現(xiàn)最低輸出噪聲。但不足之處是此方案使用了3個升壓轉換器和4個LDO。

……

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