多通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低噪聲低紋波電源設(shè)計(jì)

劉續(xù)興 李聰 曲佳佳 邢優(yōu)勝

（恒信大友（北京）科技有限公司 北京市 100192）

高精度多通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的高精度高速采集、快速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理分析等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)大型關(guān)鍵設(shè)備的故障診斷及其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。[1]

整個(gè)系統(tǒng)由16 個(gè)并行的高速高精度采集板（4 通道）、8 個(gè)DSP 組成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊、1 個(gè)高速共享緩存模塊、1 個(gè)ARM主控處理模塊及高精度電源母板組成。

為了實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍和高精度的采集模塊，采用DC-DC[2]電源+LD0 組合的電源架構(gòu)，進(jìn)行低噪聲、低紋波的高精度電源模塊設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的背景噪聲降至最低。

1 電源板架構(gòu)

低噪聲電源設(shè)計(jì)采用DC-DC 電源+LD0 組合的電源架構(gòu)，充分利用DC-DC 電源的高效率和LDO 低紋波噪聲等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電路效率和性能的有效均衡。母線電源輸入后，可用高效的DC-DC 電路將輸入電壓轉(zhuǎn)成稍高于系統(tǒng)需要的次級(jí)電壓，再將次級(jí)電壓通過LDO 轉(zhuǎn)成系統(tǒng)所需的電源。為進(jìn)一步提高電源質(zhì)量，在電源輸出級(jí)增加多級(jí)π 型濾波器減小電源紋波和噪聲，使電源滿足系統(tǒng)模擬電路和ADC 電路的供電要求。如圖1 所示。

2 電源板組成及功能

選用LT1377 作為28V、±15V、+5V 和+3.3V 供電芯片，通過配置不同的反饋電阻得到需要的電壓；選用A CT8945AQJ405 作為ARM MCU 的電源管理芯片。傳統(tǒng)升壓調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生三個(gè)問題：?jiǎn)?dòng)時(shí)的浪涌電流，關(guān)斷時(shí)輸出的泄漏電壓以及無限制的短路電流。

TPS61080/1 采用恒定PWM（脈寬調(diào)制）頻率的電流模式控制。開關(guān)頻率可通過FSW 引腳配置為600KНz 或1.2MНz。600KНz 提高了輕載效率，而1.2MНz 允許使用更小的外部元件。PWM 操作在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)打開PWM 開關(guān)。輸入電壓施加在電感器上，并在電感器電流增加時(shí)存儲(chǔ)能量。負(fù)載電流由輸出電容提供。當(dāng)電感電流跨越由誤差放大器輸出設(shè)置的閾值時(shí)，PWM 開關(guān)關(guān)斷，功率二極管正向偏置。電感器傳輸其儲(chǔ)存的能量以補(bǔ)充輸出電容器。該操作在下一個(gè)開關(guān)周期中重復(fù)。

在典型的升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如果輸出接地，關(guān)閉電源開關(guān)不會(huì)限制電流，因?yàn)閺妮斎氲捷敵鐾ㄟ^電感和功率二極管存在電流路徑。為了消除這個(gè)路徑，TPS61080/1 關(guān)閉了輸入和電感之間的隔離FET。當(dāng)電感電流超過短路電流限制13μs，或OUT 引腳電壓低于VIN-1.4V 超過2ms 時(shí)，觸發(fā)該電路。L 引腳和地之間的內(nèi)部鉗位二極管導(dǎo)通，為電感提供電流放電路徑。

由于電感器的選擇影響穩(wěn)態(tài)操作，瞬態(tài)行為和環(huán)路穩(wěn)定性，所以電感器是功率調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中最重要的組件。有三個(gè)重要的電感規(guī)格，電感值，直流電阻和飽和電流。僅僅考慮電感值是不夠的。

電感的電感值決定了電感紋波電流。通常建議將峰峰值紋波電流設(shè)置為直流電流的30-40%。此外，電感值不應(yīng)超出推薦的工作條件表中的范圍。這是功率損耗和電感尺寸的良好折衷。電感直流電流可以計(jì)算為：

圖1：DC-DC+LDO 電源架構(gòu)

輸出電容主要選擇為滿足輸出紋波和環(huán)路穩(wěn)定性要求。該紋波電壓與電容器的電容和等效串聯(lián)電阻（ESR）有關(guān)。

在負(fù)載瞬態(tài)期間，升壓轉(zhuǎn)換器輸出端的輸出電容必須在電感電流升高其穩(wěn)態(tài)值之前供應(yīng)或吸收瞬態(tài)電流。在負(fù)載瞬變期間，較大的電容器總是有助于降低高壓和低壓的電壓。更大的電容器也有助于環(huán)路穩(wěn)定性。

對(duì)于所有開關(guān)電源，布局是設(shè)計(jì)中的重要一步，特別是對(duì)于高電流和高開關(guān)頻率。如果布局不夠仔細(xì)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題以及EMI 問題。因此，對(duì)于高電流路徑和電源地線使用寬而短的走線。輸入電容不僅需要靠近VIN，還需要靠近GND 引腳，以降低IC 看到的電壓紋波。L 和SW 引腳方便地位于IC 的邊緣，因此電感可以靠近IC 放置。輸出電容需要靠近負(fù)載放置，以最大限度地降低紋波并最大限度地提高瞬態(tài)性能。

為了盡量減小接地噪聲的影響，對(duì)于連接到PGND 引腳的所有電源地使用一個(gè)公共節(jié)點(diǎn)，并將不同的地連接到GND 引腳。如果可能，在負(fù)載處將兩個(gè)接地節(jié)點(diǎn)連接在一起。這樣可以使GND引腳接近輸出地以實(shí)現(xiàn)良好的直流調(diào)節(jié)。這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的任何電壓差都會(huì)通過輸出端的反饋分壓器獲得。由于它們之間有大電流，因此輸出電容的地與PGND 接近也是有益的。為了布局信號(hào)地，建議使用與電源地線分開的短路線。

3 電源各主要部分電路設(shè)計(jì)

如圖2、圖3 所示。

4 結(jié)論

本電源通過采用DC-DC 與LDO 電源結(jié)合的電源架構(gòu)，充分利用了兩種電源各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電源效率和性能的均衡。同時(shí)，在輸出級(jí)增加多級(jí)π 型濾波器減小電源紋波和噪聲，使電源滿足系統(tǒng)要求。為高動(dòng)態(tài)范圍和高精的數(shù)采系統(tǒng)提供了低噪聲低紋波電源。

圖2：電源部分控制電路

圖3：串口轉(zhuǎn)RS485 總線接口