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開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中應(yīng)用

來源:西安浩南電子科技有限公司   2012年10月19日 10:49  

盡管在模擬量采集系統(tǒng)中,對(duì)ADC芯片等的供電般建議不用開關(guān)電源,以避免其固有的紋波大、噪聲等問題,但開關(guān)電源仍以其率、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)得到應(yīng)用,尤其是在工業(yè)等領(lǐng)域。本文介紹開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的應(yīng)用,并對(duì)可能出現(xiàn)的些問題進(jìn)行分析。 
   開關(guān)電源對(duì)ADC芯片工作的影響及解決方法
  電源對(duì)ADC芯片的影響,除了體現(xiàn)在電源抑制比(PSRR)參數(shù)上,還表現(xiàn)在,當(dāng)ADC芯片對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、保持、轉(zhuǎn)換時(shí),電源電壓、參考地的變化,都會(huì)對(duì)ADC芯片內(nèi)部采樣電路、比較器等的工作產(chǎn)生影響,使得采集結(jié)果出現(xiàn)晃動(dòng)。因此,般ADC芯片特別是ADC芯片,都建議用質(zhì)量好的線電源供電。如果采用開關(guān)電源,則需要盡力避免它對(duì)ADC芯片產(chǎn)生影響。

圖1:開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的應(yīng)用圖
  圖1是個(gè)的應(yīng)用,其中模擬采樣用的信號(hào)調(diào)理電路、ADC和現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)不,ADC芯片和CPU電源相互。CPU采用系統(tǒng)內(nèi)部電源。而ADC的+5V電源是由+24V電源經(jīng)過+24V到+5V電源變換而來的。圖中左側(cè)部分是的串聯(lián)、降壓非型DC-DC變換器的原理框圖。設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)頻率、+5V消耗電流、要求的輸出紋波zui大值,計(jì)算出電感L1、電容C1的合適大小。
  為了分析出開關(guān)電源對(duì)ADC芯片的影響,這里假設(shè)信號(hào)調(diào)理電路及ADC芯片正常運(yùn)行的耗電是25mA/+5V,對(duì)于光耦部分,如果采用6N136、TLP521等三管輸出型的光耦,則當(dāng)CPU不啟動(dòng)ADC工作時(shí),光耦不導(dǎo)通,耗電小于1mA;當(dāng)CPU啟動(dòng)ADC工作時(shí),將有數(shù)據(jù)輸出Dout、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好Ready等信號(hào)經(jīng)過光耦,光耦處于導(dǎo)通狀態(tài),為了達(dá)到比較的通訊速率,光耦總耗電需要25mA/+5V左右。這樣,+5V負(fù)載電流將在25~50mA之間來回變動(dòng)。正常開關(guān)電源設(shè)計(jì)的輸出電流應(yīng)該2倍于zui大負(fù)載電流,這里設(shè)為100mA,下面將要說明負(fù)載電流的變化將大影響+5V,從而影響ADC采樣穩(wěn)定。
  開關(guān)電源的工作原理是,平時(shí)Q1的周期開關(guān)動(dòng)作,再經(jīng)過L1、C1,得到所需要的輸出;而當(dāng)輸出+5V電壓發(fā)生上升/下降過限度(如幾十毫伏),經(jīng)過采樣、反饋后,開關(guān)電路Q1的開關(guān),使得輸出電壓向+5V回歸。在+5V負(fù)載比較恒定的情況下,輸出+5V的zui大紋波,可以根據(jù)采樣反饋電路工作原理(比如MC34063是通過比較器和鎖存器來Q1的開關(guān))、開關(guān)頻率等計(jì)算出來。
  但如果是圖1中帶光耦的情況,開關(guān)電源的輸出不供給相對(duì)恒定的負(fù)載(如信號(hào)調(diào)理電路、ADC芯片),而且還要供給光耦等數(shù)字部分電路,有可能發(fā)生zui壞的情況是,當(dāng)開關(guān)管Q1正處于上述穩(wěn)定工作中的關(guān)斷時(shí)刻,光耦突然被ADC導(dǎo)通,此時(shí)L1、C1將要提供50mA的負(fù)載電流,而平時(shí)穩(wěn)定工作中L1只提供25mA的電流,剩下電流只能從電容C1中獲取,使得C1上的電壓即+5V電平下降比較大。這將持續(xù)半個(gè)開關(guān)周期,直到開關(guān)管Q1打開。如果開關(guān)電源的開關(guān)頻率是100KHz,而ADC芯片數(shù)據(jù)Dout的通訊頻率也是100KHz左右,將引起輸出+5V電壓頻繁波動(dòng),造成大的輸出紋波。在示波器上甚至能看到噪聲反饋在+24V輸入上。
  上面只是理論分析的zui壞情況,實(shí)際應(yīng)用中,濾波電容等器件的非理想、PCB布線等等,將使得電源紋波大,ADC采樣結(jié)果不穩(wěn)定。有的微功率型DC/DC,或者如電荷泵器件,只有開關(guān)管的周期開關(guān)動(dòng)作,而沒有上述采樣、反饋電路,輸出受到負(fù)載不穩(wěn)定的影響,使得ADC采樣結(jié)果不穩(wěn)定。
比較好的解決辦法
  1. 設(shè)法降低開關(guān)電源的負(fù)載變化,因?yàn)殡m然目前開關(guān)電源的工作頻率已到幾百kHz以上,但開關(guān)電源的負(fù)載響應(yīng)時(shí)間仍至少要幾個(gè)μs,低于目前大多ADC采樣的速度。比如采用光耦6N137就比6N136好,因?yàn)?N137只是靜態(tài)電流比較大,而它需要的二管導(dǎo)通電流小,使得電源的負(fù)載變化不會(huì)很大?;蛘卟话涯M+5V電源接到小功率的開關(guān)電源輸出上,而接到其它功率比較大的開關(guān)電源輸出上,避免開關(guān)電源輸出受到負(fù)載變動(dòng)的影響。同樣個(gè)值得注意的問題是,不要使用ADC芯片的Ready、Dout、Din等引腳直接驅(qū)動(dòng)光耦,通過光耦驅(qū)動(dòng)電路,使得模擬和數(shù)字電源得到很好地相互,避免在光耦開關(guān)時(shí),有大的電流越過ADC芯片。
  2. 開關(guān)電源后加LDO等輸出電壓紋波小的器件,再供給信號(hào)調(diào)理電路、ADC芯片,模擬電路電源的穩(wěn)定。
  3. 如果在開關(guān)電源后加LC濾波,將LC濾波后的電源供給數(shù)字部分,此時(shí)應(yīng)該針對(duì)不同的負(fù)載電流大小,選擇相應(yīng)的L、C數(shù)值,必要的時(shí)候,要通過的計(jì)算、仿真及試驗(yàn)來加以確定。電感、電容不能過大,否則難以響應(yīng)負(fù)載(光耦開/關(guān))的變化。建議開關(guān)電源輸出直接供給數(shù)字部分;同時(shí)經(jīng)過LC濾波或者RC濾波,再供給信號(hào)調(diào)理電路、ADC芯片。在采用LC濾波時(shí),還需要注意LC的諧振頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離開關(guān)電源工作頻率。比如濾波RC電路的電阻R可以取10Ω左右,電容取10μF左右。
  4. 其它常規(guī)的方法也特別重要,如信號(hào)調(diào)理電路、ADC芯片的電源和地,要同光耦等數(shù)字部分的電源和地分開走線,zui后單點(diǎn)連接?;蛘邇烧卟捎脙蓚€(gè)DC/DC電路分別給ADC芯片等模擬電路和光耦等數(shù)字電路供電。原因和上文分析樣,也是為了好的避免數(shù)字、模擬之間電源的相互干擾。
開關(guān)電源對(duì)運(yùn)算放大器的影響及解決方法
  般模擬量信號(hào)進(jìn)入ADC芯片之前,要利用運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,以提供必要的電平變換、濾波、ADC芯片驅(qū)動(dòng)等等。運(yùn)算放大器與ADC相接口時(shí),受到電源的影響,從而也影響ADC芯片采集的穩(wěn)定。圖2是運(yùn)算放大器與ADC的接口圖。
  


圖2:運(yùn)算放大器與ADC的接口圖
  大多ADC芯片內(nèi)部的模擬輸入端都具有個(gè)采樣電容Cin,電阻R1對(duì)運(yùn)放輸出限流,數(shù)倍于采樣電容的陶瓷電容C1使得開關(guān)SW合上的瞬間,通過C1迅速給采樣電容Cin充電。R1、C1的具體數(shù)值,與運(yùn)放的穩(wěn)定、建立時(shí)間、ADC采樣時(shí)間、需要的采樣有關(guān)。
  這里要指出的是,在上述過程中,運(yùn)放的電源也會(huì)起很大的作用。在運(yùn)放對(duì)電容充電期間,瞬間需要較大的電流,而開關(guān)電源的負(fù)載響應(yīng)時(shí)間不夠,將造成比較大的電源紋波,影響運(yùn)放的輸出。比如采用C1=10Cin=250pF,則當(dāng)SW從別的通道(假設(shè)為-5V)切到AI0通道(假設(shè)+5V)時(shí),Cin從-5V切換到C1上的電壓+5V,C1迅速給Cin充電,zui終電壓為(5V×10-5V)/11=4.09V,運(yùn)放輸出要從5V變到4.09V,R1太小帶來運(yùn)放輸出穩(wěn)定問題,同時(shí)也會(huì)對(duì)運(yùn)放輸出電流帶來沖擊,影響電源電壓。
  特別是在采用電荷泵給運(yùn)放-VCC提供小的負(fù)電源時(shí),電荷泵輸出電壓隨負(fù)載增大而降低的特使得效果加明顯。比較發(fā)現(xiàn),運(yùn)放采用直流線穩(wěn)壓電源時(shí),12位的ADC采集結(jié)果很穩(wěn)定,結(jié)果變動(dòng)可達(dá)1LSB以下;相比之下,采用電荷泵器件時(shí),如果電荷輸出沒有大的濾波,ADC采集結(jié)果晃動(dòng)可達(dá)3LSB。如果增大R1為100Ω時(shí),C1=10Cin,不考慮運(yùn)放輸出電阻時(shí),需要運(yùn)放輸出電流的zui大值為(5-4.09)V/100Ω=9.1mA),小于般運(yùn)放的zui大輸出電流。但R1太大,將明顯降低ADC所能采集到的信號(hào)頻率,在ADC對(duì)該通道“跟蹤”期間,運(yùn)放無法完成對(duì)C1和Cin充電,使得該次采樣與運(yùn)放輸入端電壓相差較大,會(huì)造成諧波失真。
  解決辦法除了前文描述的以外,同時(shí)還可以采用以下方法:
  1. 運(yùn)放的正負(fù)電源對(duì)地除并接個(gè)10~22μF大電容以減少電源紋波外,再并接個(gè)0.1~1μF的小陶瓷電容,以通過0.1~1μF頻去耦電容的作用,避免負(fù)載電容的瞬間充電對(duì)電源的影響。效果類似于數(shù)字芯片電源和地之間加的去耦電容。
  2. 增大圖2中ADC前端電阻R1,減小運(yùn)放的輸出電流,能起到的濾波作用。當(dāng)然R1大的話,將衰減通過運(yùn)放的信號(hào)。
    開關(guān)電源對(duì)參考源的影響及解決方法
  有的ADC芯片要外部提供參考源,這時(shí)外部參考源的供電,也需要參照前文所述的處理方法,采取在輸入端加濾波等措施。同時(shí)注意,對(duì)連續(xù)逼近(SAR)型ADC芯片,如TLC2543芯片,采樣、保持后的內(nèi)部每次電壓轉(zhuǎn)換,都需要將采集電壓和參考源的1/2、1/4、1/8等組合相比較,以確定相應(yīng)n位ADC結(jié)果的第(n-1)位、第(n-2)位等,參考源的分壓是通過電容實(shí)現(xiàn)的。
  這樣,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換每位均需要將參考源VREF通過開關(guān)接到相應(yīng)分壓電容上,對(duì)參考源而言,將看到個(gè)變化的容負(fù)載,從而產(chǎn)生了上文所說的問題。如果ADC芯片內(nèi)部沒有參考源緩沖電路,而外部參考源的容負(fù)載能力又不夠時(shí),需要在外部參考源輸出端,串個(gè)緩沖器,再通過個(gè)RC電路接到ADC芯片的參考源輸入端。其它處理方法,同上文所述,如在外部參考源的電源端,并接個(gè)10~22μF大電容和個(gè)0.1~1μF的小陶瓷電容等。
本文小結(jié)
  本文雖然針對(duì)SAR型ADC進(jìn)行分析、處理,但其應(yīng)用原理,對(duì)ADC都有參考價(jià)值。仔細(xì)分析各個(gè)環(huán)節(jié)的工作原理,采取的對(duì)策,就能在模擬量采集系統(tǒng)中,使用廉價(jià)的開關(guān)電源,而又獲得的采集能。

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