谈谈噪声敏感应用中的电源管理设计技巧

由 editor Chen 提交于周日, 18 九月 2016 - 16:03

作者：贸泽电子Landa Culbertson

对噪声敏感应用中的配电系统设计要千万小心谨慎，在电源管理设计中不仅要考虑所有的常用参数，像输入电压、输出电压和电流等，此外，还要考虑如何处理影响音频和视频信号完整性的电源噪声。

选择低噪声和高PSRR特征的线性稳压器

只要有可能，选择线性稳压器直接给信号调节和信号处理元件供电。所有的电压调节器都会给系统带来噪声，但是线性稳压器相对于其“近亲”DC-DC转换即开关稳压器产生的噪声更少。线性稳压器可以提供良好的电源纹波抑制（PSRR），也称为音频敏感系数。在任何开关电源的开关频率上的高PSRR规范作为线性稳压器的输入将会有助于减少开关噪声，以至于不会被引进到信号链和引起干扰问题。这种技术叫做后调节。

记住，PSRR在更高频率下最终将下降至0分贝。大多数开关电源在100kHz至2 MHz范围内工作，因此这不是一个问题，因为它涉及到线性稳压器减弱其基本开关频率的能力。不过，可能需要额外的滤波来抑制高频噪声。

选择一款线性稳压器可能会遭遇选择风暴，因为这个领域有无数供应商和产品型号，仅TI在与NSC合并后，就可以提供1300多款线性稳压器。万幸的是,一些公司提供在线参数搜索工具，这个工具基于输出噪声以及PSRR的搜索，可以缩小选择范围，找到一个好的低噪声线性稳压器的另一种方法是通过一个在线搜索使用关键字“超低噪音”或“高PSRR”再加上“LDO”或“线性调节器”等关键词。

表1一些侧重异常噪声规范的线性稳压器
<table cellspacing="1" cellpadding="0" width="365" border="1">
<tbody>
<tr>
<td width="48">Supplier</td>
<td width="93">Device</td>
<td width="49">Vin (V)</td>
<td width="112">Vout (V)</td>
<td width="35">Iout (A)</td>
<td width="73">Output Noise</td>
<td width="76">PSRR</td>
</tr>
<tr>
<td width="48">Intersil</td>
<td width="93">ISL78302A (Dual)</td>
<td width="49">2.3 to 6.5</td>
<td width="112">1.2 to 3.3</td>
<td width="35">0.3</td>
<td width="73">30 µVRMS</td>
<td width="76">90-dB @ 1kHz</td>
</tr>
<tr>
<td width="48">Intersil</td>
<td width="93">ISL80111</td>
<td width="49">1 to 3.6</td>
<td width="112">0.8 to 3.3</td>
<td width="35">1</td>
<td width="73">100 µVRMS</td>
<td width="76">70-dB @ 1kHz</td>
</tr>
<tr>
<td width="48">ON Semi</td>
<td width="93">NCV8570B</td>
<td width="49">2.5 to 5.5</td>
<td width="112">1.8V, 2.8V, 3.0V, 3.3V</td>
<td width="35">0.2</td>
<td width="73">10 µVRMS</td>
<td width="76">82-dB @ 1kHz</td>
</tr>
<tr>
<td width="48">ON Semi</td>
<td width="93">NCP565</td>
<td width="49">2.5 to 9</td>
<td width="112">0.9 to 7.7</td>
<td width="35">1.5</td>
<td width="73">28 µVRMS</td>
<td width="76">75-dB @ 1kHz</td>
</tr>
<tr>
<td width="48">TI</td>
<td width="93">LP5907</td>
<td width="49">2.2 to 5.5</td>
<td width="112">1.2 to 4.5</td>
<td width="35">0.25</td>
<td width="73">10 µVRMS</td>
<td width="76">82-dB @ 1kHz</td>
</tr>
<tr>
<td width="48">TI</td>
<td width="93">TPS7A4700</td>
<td width="49">3 to 36</td>
<td width="112">1.4 to 20.5</td>
<td width="35">1</td>
<td width="73">4.17 µVRMS</td>
<td width="76">78-dB @ 1kHz</td>
</tr>
<tr>
<td width="48">TI</td>
<td width="93">TPS7A8101</td>
<td width="49">2.2 to 6.5</td>
<td width="112">0.8 to 6</td>
<td width="35">1</td>
<td width="73">23.5 µVRMS</td>
<td width="76">80-dB @ 1kHz</td>
</tr>
</tbody>
</table>

不幸的是，在所有环境下都只使用线性稳压器并不实际，因为它的能量转化效率并不是很高，这样的话会产生热量。在应用中使用Pdiss =(Vin -输出电压)* Iload计算功耗，和应用包的热功率进行功率比较。如果它看起来像有发热的问题，选择QFN等更热增强包，或者也许可以适时考虑替换转换器。通常来说，这种情况是假设负载电流持续升高超过1A时发生。然而，这有1.5A，2A和3A的额定线性稳压器一般可以使用。

开关DC-DC转换器提供高效率

选择一个开关DC/DC转换器比选择一个线性稳压器更难。因为有多个拓扑结构和权衡需要考虑，更不用说有众多供应商提供的大量器了。在任何情况下,当面对一个噪声敏感的应用时，需要一个较低输出电压纹波的开关DC/DC转换器，据说，纹波不到30 mVpp。如果需要一个更安静的电源，在后调节应用中需要在开关之后需要加一个线性稳压器。

一个用于广播应用开关稳压器的一个特性是高开关频率。除了封装小型的好处和更好的瞬态响应外，高开关频率避免其频带其噪声被破坏，包括调幅（AM）广播波段。另一个理想的特性是开关频率同步。系统中有多个转换器，但不匹配的开关频率可以产生拍频干扰现象。稳压器同步切换频率的能力可以阻止拍频现象的形成。此外,它在系统内产生一组可预见的频率有助于保持EMI。

同时也要考虑到现在的设计是在FPGA和DSP中实现的，其可以打破技术的瓶颈，带来一些意想不到的结果。给定设备也许需要上电顺序，软启动，或者电源良好指示以确保操作正常。现代电源管理方案都集成了这些功能。

表2列出了开关直流/直流降压转换器与理想的广播应用程序的特性。
<table cellspacing="0" cellpadding="0" width="365" border="1">
<tbody>
<tr>
<td width="40">Supplier</td>
<td width="69">Device</td>
<td width="52">Vin (V)</td>
<td width="44">Vout (min) 
(V)</td>
<td width="13">Iout</td>
<td width="70">Output Voltage 
Ripple (mVpp)</td>
<td width="86">Switching 
Frequency</td>
<td width="30">Freq 
Synch</td>
<td width="30">Power 
Seq</td>
<td width="23">Soft 
Start</td>
<td width="30">Power 
Good</td>
</tr>
<tr>
<td width="40">Intersil</td>
<td width="69">ISL8206M 
Power module</td>
<td width="52">1 to 20</td>
<td width="44">0.6</td>
<td width="13">6</td>
<td width="70">8</td>
<td width="86">600 kHz</td>
<td width="30">No</td>
<td width="30">No</td>
<td width="23">Yes</td>
<td width="30">No</td>
</tr>
<tr>
<td width="40">On Semi</td>
<td width="69">NCP1592 
Switcher with 
integrated FETs</td>
<td width="52">3 to 6</td>
<td width="44">0.891</td>
<td width="13">6</td>
<td width="70">10</td>
<td width="86">280 kHz to 700 kHz</td>
<td width="30">Yes</td>
<td width="30">No</td>
<td width="23">Yes</td>
<td width="30">Yes</td>
</tr>
<tr>
<td width="40">TI</td>
<td width="69">TPS54620 
Switcher with 
integrated FETs</td>
<td width="52">4.5 to 17</td>
<td width="44">0.8</td>
<td width="13">6</td>
<td width="70">33 (per EVM)</td>
<td width="86">200 kHz to 1.6 MHz</td>
<td width="30">Yes</td>
<td width="30">Yes</td>
<td width="23">Yes</td>
<td width="30">Yes</td>
</tr>
<tr>
<td width="40">TI</td>
<td width="69">TPS84621 
Power module</td>
<td width="52">2.95 to 14.5</td>
<td width="44">0.6</td>
<td width="13">6</td>
<td width="70">30</td>
<td width="86">250 kHz to 780 kHz</td>
<td width="30">Yes</td>
<td width="30">Yes</td>
<td width="23">Yes</td>
<td width="30">Yes</td>
</tr>
</tbody>
</table>

集成能力

如果板级空间是合适的，考虑现代电源管理解决方案是集成开关直流/直流转换器和后调节线性稳压器到一个小封装内。其中一个例子就是来自TI的TPS54120 ，该器件是2012年推出的，该器件结合了高效的开关DC/DC转换器和低噪声，高PSRR，低压降的线性稳压器来提供1A，噪声敏感应用。TPS54120还包括开关频率同步、软启动、电源良好指示等，采用3.5毫米x 5.5毫米节省空间、散热增强型的QFN封装。

结论
.
总之，降低电源噪声是一个复杂的话题。选择合适的电压稳压器是良好的配电系统设计的一部分，这是一直需要注意考虑的。不过请记住，还有其他重要因素超出了本文探讨的范围，包括适当的旁路、解耦、阻尼、PCB布局等等。值得庆幸的是，互联网与关于这个话题的大量信息。

作者简介
<img src="http://mouser.eetrend.com/files/2016-09/wen_zhang_/100002963-9668-qqjie…; alt="">
Landa 是来自德克萨斯达拉斯的撰稿人。她具有电机工程学士学位，在电子产业拥有18年的从业经验，所属单位从初创企业到财富500强。

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