朽而不锈看模拟应用设计
发布时间：2010-12-28 11:20
发布者：绝对好文
关键词：
模拟设计
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作者：ni_labview 1. 开关电源这5V输出有时还真不是东西，真扎手---- 经常听兄弟们抱怨自己的设计的系统在实验室或生产车间里调试老化时一点问题都没有，可一到现查就不是频繁复位就是采样数据受干扰，真是干扰不断。后来打开机箱看了之后发现其供电系统直接是用开关电源的5V输出供电，正常情况下其输出纹波仅有几十毫伏，可到现场一看情况完全变了，压根是几倍的关系，而且串进来的噪音更是让人害怕。于是这给我们带来了好的机会，这5V开关电源如何用才能降低其噪音，最起码能在降到对整个系统工作的影响达到我们所要求的范围内。 那么目前我们怎么做才能达到这个要求的范围，很简单，充分利用LDO和开关电源上的电位器即可（图1-1）。 
方法是在你的原始设计中电源上一定预留好LDO的位置，今天的LDO已经不是往日的78XX那样个头笨重，压降甚大的年代，哪怕你的系统开关电源质量足够好，别吝惜这该花的价钱，无非是不需要时我可以不焊接补上根短路线。 这其中涉及到一个LDO的选型问题，实际此时在LDO选取时无非要注意三个问题，一是你系统的最大耗电电流，二是想达到最低噪声等级，除此之外就是如果你是 5V系统只有0.3V的压差空间对于一般的5V输出开关电源，这是因为开关电源的输出一般可以在±1％内可调，也就是±0.5V的范围，你总要给开关电源电压输出能力也留出点余量，这其中必须清楚一个概念就是LDO的压差定义是当输出电压从器稳定电压跌落2％时输入与输出之间的最小电压差。 根据以上条件你可以在TI,ON,linear……等公司的网站上选取合适的LDO品种，品种极为丰富，在设计的时候一个关键点是必须通读人家提供的 datasheets文件，特别是注意LDO输出电容的选择，到底可不可以用电解电容还是陶瓷电容或钽电容，这东西可要看清楚些，否则LDO的噪音也是压不住的。另一个关键点是看好人家LDO的PCB标准布线结构图，不要轻视这个，比你花更多时间去创新要好得多，毕竟是人家厂商的芯片设计的延伸。事实上以往有众多兄弟用TI的TPS系列低噪音LDO降不下来噪音，结果拿原厂DEMO板测试结果就是不一样，最后查到的原因还是布板问题。 在 LDO的选择上我们往往最好还要知道的工艺结构特点，当然这不是完全必须的。目前市面的LDO有双极工艺的和CMOS工艺的。图1-2所示的双极性LDO 和CMOS LDO的基本拓扑结构，二者构成的区别说简单就是一个是晶体管构成，一个是MOS管构成；二者的共同点都是基准，运放，调整管闭环结构。对于PNP晶体管的双极性LDO其典型压差约为0.3V，实际可能略有差别，但总体比CMOS LDO的要高。 另外CMOS LDO的压差取决与其内部的MOSFET的导通电阻，这种类型器件的一个特点是压差基本上与输出电流同方向变化，即输出电流越大压差越大。CMOS LDO的一个好处是输出电流加大只与MOSFET调整管有关，不会增加地线电流，而双极性LDO则不具备此类优势，当输入输出电压接近时,PNP管的基极电流要增加，如果时电池供电系统要发生此种情况恰好是电池电压最低的时候，实际上也是容易对电池造成损坏最大的时候。 
当然我们也不能否认双极性LDO落伍，实际不然，目前同功率等级的LDO中，双极性LDO往往比CMOS LDO具有更低的输出噪音，在一些噪声敏感的的电路和一些传感器激励电路中噪声的选择往往是关键因素之一，这时选择双极性LDO有相当的优势。试验过在某 24位AD系统中由于合理利用双极性LDO替代原来的CMOS LDO，有效数位至少增加了半位，当时知识水平所限搞不懂原因，只是单纯认为双极性LDO的调整管是电流驱动型其抗干扰能力要优于MOSFET电压驱动，实际上这部分还要涉及到某些晶体管的频响特性要优于MOSFET的频响特性等原因。 2．电容很需要，但不是放在哪里都有效―――门窗漏风盖被子依然冷 前面已经讲过对于LDO的输出电容品种很重要，实际上数值，位置也很重要，包括TI等公司在自己的LDO芯片说明手册上都提出关键电容的布置图和电容选型种类。很多人更关心的是其他芯片的电源线安放旁路电容，基本上是放个0.1uf的独石电容加上一个10uf的钽电容，而且离芯片布置距离也很近，但却忽视了为其供电的LDO的输出电容设计，认为给芯片放好旁路电容就可以，实际这是个错误的想法。对于电源系统的处理往往都要优于对芯片旁路的处理，否则后端再好的设计也是虚的。 脑电信号的采集目前算是微小信号采集中的一支了，但这个脑电信号的采集电路中更难做的却是其电源系统，以至于到目前还有好多家的脑电信号采集供电还得意于电池技术的发展，实在不好做了索性用电池给系统供电，以至于产生了充电一晚上用一天的的笑话，否则设备根本无法正常工作。国外的类似系统能够取得成功一个是源于人家掌握了好的运放技术，另一个就是其电源系统设计的功底绝非一招一式解决的，这其中包含着更多合理的芯片，结构，直至电容的选择。打开一个好的涉及模拟系统设计首选最该看的就是电容的布置和应用，当然这不是绝对的。 3.去耦去耦――有感日本某仪器开关电源设计 很久以前国内某激光特种电源企业的设计高精度激光电源时常用AC220V风扇，没问题，工作好好的。忽然有天某外企业要求用直流12V1A风扇的，设计工程师经过计算后在原系统的辅助开关电源变压器上加了绕组做了整流输出，独立的，很简单（图1-3）。这本是UC3842开关电源没什么太难的，工人在生产试验的时候犯懒只是用12欧姆代替风扇，于是调试“成功”出货了。结果拿到客户那里一开直流风扇整个系统精度大打折扣，这对激光系统几乎是致命的。在经过全面分析后得到结论是风扇系统供电的辅助绕组中干扰到电源控制回路的供电稳定性，风扇一起动实际上是纹波噪音都加大了，这可是个典型的耦合问题，不管是控制里的耦合还是电路里的耦合概念，它所产生的耦合绝对不是如图1-4所示的去耦。 
实际上面所说这类耦合干扰处理起来也好办，直接用一个独立的12V开关电源给风扇供电就没有耦了。同样类似现象的是在日本某仪器时发现其用了两个20W的独立开关电源，其中一个就是专门给风扇供电的，另一个是系统的供电，开始有人还在笑设计者这是“死心眼”，买个多输出开关电源不就成了，后来逐渐理解了人家设计者的真实用意，可能也是设计规则。 目前市售的开关电源或DC/DC转换器的输出高频开关噪声，当这些噪声混入模拟电路，放大电路中时将产生比IC芯片本身更打的噪声。如图1-4所示，为使噪声源与电源交流分离，一般采用RC低通实现，也就是去耦。图中所示的去耦电容C为达到效果一般47～100uf,R越大噪声衰减越明显，但同时也会引起压降，在合适的数值内选择，一般几十到几百欧姆。同时也应该注意RC的布线不要过长过绕电感谐振引起不必要的其他噪声，前山打跑狼后山别招来虎。 
4．别看老了，仍然有需求―――DC/DC输入电容选择 在我们设计工业变送器时经常要涉及到工业现场 24V或12V电压的转换问题，直接的想法就是如何利用DC-DC控制器设计我们的电源系统，我们可选的方案是如此之多。但往往出现一个问题，工业现场经常是AC/DC开关电源供电，当你的变送器在现场安装好了之后回来一上电开关电源就保护，这时你会说自己的设计本身24V供电时也就百十毫安，不可能出现耗电过大或短路的情况。 经查你的变送器单个工作没问题，你可以质疑人家的开关电源选的容量不够是一方面，抗冲击能力差等等说法，但不可否认我们是在不知不觉中犯的错误，我们大多忽视了电源输入电容的选择，或者在设计初期没有细心去考虑这个问题，电容上电瞬间相当于“短路”的现象我们没有注意，也就是这个没注意当多个变送器电源一起上电时就让开关电源的输出产生保护，而且输入电容容量越大这个现象越明显。以往我们没有选择余地，但现在就不一样了，今天我们可以选择更多的国半的，ON的，凌特的还有TI的等公司的芯片，它们的输入电容越来越小了，情况好多了。 除了选择好 DC/DC芯片之外，我们还要关注DC/DC对整个电源系统所产生的干扰情况，许多DC/DC转换芯片带有和负载电流类似的脉冲电流，这个输入电流和输入电容的ESR决定了对整个电源系统的影响 。对于输入电容来说，低的ESR是严格要求的，在有些场合还要在输入电容上并联相应容量的陶瓷电容消除DC/DC本身所产生的高频噪声对供电系统的影响。 5. 我叫隔离电源模块，不叫隔离稳压输出模块 这类东西谁都不陌生，他就是便宜的定电压输入隔离非稳压单输出系列DC-DC模块，最常用的标称的是5V输入输出的品种，经常用在通信隔离或模拟隔离上，性能也不错。但我们用这类东西的时候要关注其如下几点：一是其输出负载一般不能小于10％（不同厂家略有区别），否则其输出电压高而且容易损坏。如果你用它来作通信芯片隔离供电，一定要看看负载多大电流，不行要并电阻消耗一些。二是如果你用你的5V系统给这个模块供电，其作为开关类器件同样产生噪音，此时你的系统也要承受这种干扰。建议LC网络消除噪音，具体操作厂商的手册上会提供一些参考。三是这类模块基本都没有输出保护，建议其输出增加带过流保护的LDO芯片使用。 如果您是用它作模拟隔离电源，更多观注其输出纹波的影响，相应的线性调整是必须的同时还要增加响应的LC网络滤掉其讨厌的开关噪声。很多对于噪声要求苛刻的模拟电路在隔离时的供电不是单纯的线性调整LDO就可以消除电源噪音，必须根据实际情况配合相应LC网络甚至RC网络消除不同频率的噪音，如果有更高精度要求建议选择真正纹波小的稳压输出型隔离模块。 |
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