|
作者：Adam Huff，高級設(shè)計(jì)工程師； George (Zhijun) Qian，高級設(shè)計(jì)經(jīng)理 ADI公司 摘要 傳統(tǒng)上，開關(guān)模式電源(SMPS)噪聲較高，無法直接用于噪聲敏感型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，因此需要額外的低壓差(LDO)穩(wěn)壓器來供電。近年來，SMPS技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，特別是Silent Switcher架構(gòu)和電磁干擾(EMI)噪聲屏蔽技術(shù)的應(yīng)用，有效降低了EMI輻射和輸出紋波電壓。得益于此，我們可以將采用噪聲抑制技術(shù)的單一SMPS器件置于噪聲敏感型器件附近，而不會影響ADC的信噪比(SNR)。本文將詳細(xì)探討這項(xiàng)技術(shù)。 引言 您是否遇到過ADC的輸出結(jié)果出現(xiàn)輕微偏差和隨機(jī)變化的情況？這可能是由ADC系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲引起的。一個(gè)常見的噪聲源是壓控振蕩器(VCO)的供電軌。此供電軌上的噪聲可能會給時(shí)鐘信號帶來抖動(dòng)，而時(shí)鐘信號隨后會用作ADC的采樣時(shí)鐘。如果抖動(dòng)較大，ADC轉(zhuǎn)換就可能出現(xiàn)誤差，進(jìn)而產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)。 眾所周知，SMPS在電壓轉(zhuǎn)換過程中需要進(jìn)行開關(guān)操作，因此不可避免地會產(chǎn)生噪聲。如果將SMPS用于時(shí)鐘的供電軌，就會將噪聲引入ADC系統(tǒng)。為了盡可能減小誤差，通常采用具備噪聲抑制能力的LDO穩(wěn)壓器為噪聲敏感型器件供電。 ADI公司的LTM8080降壓型穩(wěn)壓器SMPS等器件，集成了后調(diào)節(jié)雙LDO穩(wěn)壓器和噪聲抑制技術(shù)。類似于獨(dú)立的LT3045LDO穩(wěn)壓器，這款SMPS器件能夠提供低噪聲供電軌。 為什么必須關(guān)注供電軌噪聲？ 供電軌噪聲是能夠?qū)ο到y(tǒng)性能產(chǎn)生顯著影響的一個(gè)關(guān)鍵因素。圖1中，LT3045 LDO穩(wěn)壓器用作低噪聲供電軌，為ADF4372頻率合成器的VCO供電。然后，ADF4372為AD9208 ADC和FPGA板生成時(shí)鐘信號。圖2顯示了從LT3045 LDO穩(wěn)壓器輸出獲得的相位噪聲圖，此圖可作為比較備選供電軌方案的基準(zhǔn)。 
圖1.VCO/ADC設(shè)置的基本框圖
圖2.作為基準(zhǔn)的LT3045相位噪聲圖（1 GHz，2 MHz范圍） 相較于基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，如果采用噪聲較高的供電軌，噪聲頻譜圖會不太理想，如圖3所示，其中邊帶略有升高。當(dāng)這些邊帶達(dá)到一定水平時(shí)，會給ADC采樣時(shí)鐘的上升沿帶來抖動(dòng)（圖4）。結(jié)果，ADC會在非預(yù)期的時(shí)間點(diǎn)對模擬輸入信號進(jìn)行采樣，導(dǎo)致生成包含位錯(cuò)誤的異常數(shù)據(jù)字。 位錯(cuò)誤的發(fā)生可能會造成顯著的后果，尤其是當(dāng)位錯(cuò)誤很嚴(yán)重時(shí)。ADC的實(shí)際數(shù)據(jù)字與預(yù)期數(shù)據(jù)字的偏差可能會觸發(fā)系統(tǒng)出現(xiàn)意外行為。例如，如果數(shù)據(jù)字指示的輸入電壓高于實(shí)際電壓，器件可能會在系統(tǒng)尚未準(zhǔn)備好的情況下被提前激活。在安全關(guān)鍵應(yīng)用中，這種意外狀態(tài)可能會導(dǎo)致安全特性被禁用。
圖3.高噪聲SMPS的相位噪聲圖示例（1.23 GHz，2 MHz范圍） 得益于EMI噪聲屏蔽技術(shù)，SMPS現(xiàn)在可以放置在LDO穩(wěn)壓器附近，而不會將開關(guān)噪聲耦合到LDO穩(wěn)壓器的輸出端。如果將SMPS和LDO穩(wěn)壓器封裝在一起，除了降低噪聲之外，還能獲得其他優(yōu)勢。參見表1。
圖4.高噪聲VCO供電軌引起ADC采樣時(shí)鐘邊沿抖動(dòng)（VCO輸出），進(jìn)而造成ADC采樣誤差 單個(gè)封裝中集成開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器和LDO穩(wěn)壓器的優(yōu)勢 表1.SMPS + LDO穩(wěn)壓器相較于獨(dú)立LDO穩(wěn)壓器的優(yōu)勢
將關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器(SMPS)與LDO穩(wěn)壓器集于一體的器件具備多項(xiàng)優(yōu)勢。它可以由12 V或24 V等標(biāo)準(zhǔn)供電軌供電，輸入電源非常靈活。此外，可以設(shè)計(jì)中間總線來維持一個(gè)高于LDO穩(wěn)壓器輸出的特定電壓，這樣即使器件由較高電壓供電也能穩(wěn)定工作。這種“電壓輸入到輸出控制”(VIOC)特性通過控制上游SMPS的輸出，確保LDO穩(wěn)壓器具有設(shè)定的裕量。要想在提升效率的同時(shí)保持電源抑制比(PSRR)，VIOC不可或缺。 SMPS與LDO穩(wěn)壓器的組合，使得對噪聲敏感的布線可以在器件內(nèi)部電路中進(jìn)行。因此，只需在PCB層面應(yīng)用基本布線技術(shù)，即足以優(yōu)化器件的噪聲性能。 此外，得益于完全集成的EMI噪聲屏蔽，片內(nèi)SMPS的噪聲不是向各個(gè)方向輻射，而是被引導(dǎo)至遠(yuǎn)離LDO穩(wěn)壓器的方向。這項(xiàng)技術(shù)使得開關(guān)穩(wěn)壓器可以放置在LDO穩(wěn)壓器附近，而不會影響LDO穩(wěn)壓器的噪聲抑制能力。因此，這款完全集成的器件可以布置在過去因噪聲問題而不適合布置SMPS的區(qū)域。 如果器件的SMPS部分能夠提供比LDO穩(wěn)壓器額定值更大的電流，則可以將多個(gè)LDO穩(wěn)壓器集成到封裝中。此外，外部LDO穩(wěn)壓器可以連接到中間總線，從而為用戶的設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。 為了確保符合器件數(shù)據(jù)手冊中提到的規(guī)格，我們對這款完全集成的SMPS加LDO穩(wěn)壓器組合器件進(jìn)行了全面的測試，以保證器件滿足規(guī)定的要求。 噪聲低如LDO穩(wěn)壓器的開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器 與基準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器方案相比，LTM8080的輸入電源電壓靈活性更大，而且功率損耗更低。圖5展示了采用LTM8080的示例解決方案，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)靈活性。LTM8080與共封裝的降壓穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器一起，集成了EMI噪聲屏蔽，能夠有效引導(dǎo)輻射噪聲的傳播方向。
圖5.LTM8080解決方案取代了ADF4372SD2Z評估板上的兩個(gè)LT3045 LDO穩(wěn)壓器，而且支持可選的用戶自定義第三LDO穩(wěn)壓器輸出，以實(shí)現(xiàn)更大的系統(tǒng)靈活性。 比較LTM8080和LT3045的噪聲抑制能力，兩者的測量結(jié)果幾乎完全一致。表2展示了SNR比較結(jié)果，圖6顯示了相位噪聲圖。因此，LTM8080可用作LT3045的替代方案，既能有效減少位錯(cuò)誤，又能很好地抑制噪聲。 表2.SNR比較：LTM8080對比LT3045
圖6.相位噪聲圖：LTM8080（左）與LT3045（右） 結(jié)論 測試結(jié)果清楚地表明，具備先進(jìn)噪聲抑制技術(shù)（例如EMI噪聲屏蔽）的SMPS器件可以有效取代LDO穩(wěn)壓器來為噪聲敏感型供電軌供電。盡管概念驗(yàn)證主要針對VCO供電軌，但集成SMPS和LDO穩(wěn)壓器的解決方案所具備的設(shè)計(jì)靈活性，也能惠及許多其他對噪聲敏感的應(yīng)用。 作者簡介 Adam Huff是ADI公司電源模塊部的高級設(shè)計(jì)工程師。他自2005年加入ADI公司以來，在電源模塊部擔(dān)任過多個(gè)職務(wù)。他擁有普渡大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位。 Zhijun“George”Qian是ADI公司的電源模塊高級設(shè)計(jì)經(jīng)理。他擁有浙江大學(xué)電力電子學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，以及美國中佛羅里達(dá)大學(xué)電力電子博士學(xué)位。他于2010年加入ADI公司。 |
