【導讀】信號鏈精度是轉(zhuǎn)換器性能的關(guān)鍵考核指標，毋庸置疑，電路設計中電源質(zhì)量對精度的影響起到舉足輕重的作用。一般而言，電源質(zhì)量以噪聲大小進行衡量，而電源拓撲及其架構(gòu)又與電源噪聲密不可分。本文將各種電源構(gòu)架及其特點做詳細闡述，同時從實際案例需求出發(fā)，解析電源選擇的適配性。
電源噪聲會影響信號鏈的處理增益，而處理增益本質(zhì)上意味著以轉(zhuǎn)換器支持的精度從不相關(guān)的噪聲中提取盡可能多的有用信息，實際上處理過程中獲得的信息永遠不會比使用原始樣本數(shù)據(jù)獲得的信息多，這也是有效位數(shù)的概念。總而言之，精度、采樣率、有效位數(shù)、有效帶寬幾者之間有不可分割的關(guān)系。
如圖1所示，假設選擇24位5MSPS SAR轉(zhuǎn)換器，希望查看1MHz左右的信號，對此進行分析：24位的動態(tài)范圍是144dB，頻譜分析儀圖中得到儀器本底噪聲約為133dB，可以實現(xiàn)大約22位精度。若使用單電感多輸出或SIMO轉(zhuǎn)換器，輸出紋波約為115dB，或大約19位，根據(jù)電源抑制比將獲得19至22位的有效位數(shù)。若4倍耐奎斯特頻率才能換回1bit，如果有無限PSRR，使用16倍過采樣以換回2bits的話，目標帶寬將被限制為312kHz，無PSRR的話將需要80倍過采樣，那么有效帶寬約為62.5kHz，而我們的目標帶寬是1MHz。由此可見，電源質(zhì)量對于信號鏈精度和帶寬真的很重要。
圖1. 電源質(zhì)量VS 有效位數(shù)VS 有效帶寬
以信號是否被隔離角度劃分，轉(zhuǎn)換器分為非隔離型和隔離型兩大類，表1示例了常見的轉(zhuǎn)換器類型。電路類型不同，轉(zhuǎn)換特點不同，節(jié)點噪聲也各有特點。非隔離拓撲主要構(gòu)成元件為電感、開關(guān)管和電容；隔離拓撲主要構(gòu)成為變壓器、開關(guān)管和電容。
LDO是線性轉(zhuǎn)換器，并未添加至如下拓撲類型中。負載電流較小，如十幾或幾十mA，輸入加電壓差大于最高供電軌的應用情況下會使用LDO，但LDO不能產(chǎn)生負電壓軌。低頻時，LDO具有很好的噪聲性能。
表1. 轉(zhuǎn)換器拓撲概述
降壓型轉(zhuǎn)換器VIN總是大于VOUT，由于最小占空比限制的存在，在給定的工作頻率下無法實現(xiàn)大壓差轉(zhuǎn)換，比如50V轉(zhuǎn)換至1V的情況。
如圖2所示，不同顏色標示了轉(zhuǎn)換器因開關(guān)管開通與關(guān)斷產(chǎn)生的電流路徑，用不同顏色標示幾個環(huán)路，分別用紅色，藍色，橙色和綠色表示：
圖2. 降壓型轉(zhuǎn)換器
紅色環(huán)路：控制開關(guān)管S1導通時的電流路徑。輸入端有開關(guān)與之串聯(lián)，故輸入端口為高噪聲節(jié)點；
藍色環(huán)路：控制開關(guān)管S1斷開、開關(guān)管S2導通時的電流路徑。輸出端與二階LC濾波器串聯(lián)，故此節(jié)點噪聲較低；
橙色節(jié)點：開關(guān)管S1和S2的高頻切換使得此節(jié)點產(chǎn)生高頻電壓交替變化，故此節(jié)點會產(chǎn)生高頻輻射，PCB布局時需保持盡可能小的尺寸；
綠色環(huán)路：此環(huán)路一般稱為熱環(huán)路，也稱為高di/dt環(huán)路。對于降壓轉(zhuǎn)換器，它的輸入側(cè)是熱環(huán)路。該環(huán)路存在快速邊沿切換的電流，時域中的邊沿跳變相當于頻域中的廣泛頻譜，因此，為避免高頻噪聲，PCB布局時應最大程度的減少該環(huán)路的物理尺寸。
降壓型轉(zhuǎn)換器的應用場景為：1. 輸入范圍較寬；2. 系統(tǒng)希望的效率遠大于LDO可提供的效率；3. 系統(tǒng)需要干凈的輸出。
對于內(nèi)部補償?shù)慕祲盒推骷?，當占空比遠大于50%時對其進行補償可能很棘手，同時我們還希望避免出現(xiàn)低頻振蕩。
推薦型號
LT8618：65VIN/100mA，小尺寸，同步
LT8604C：42VIN/120mA，小尺寸，同步
MAX17530：42VIN/25mA，超小小型器件，寬輸入電壓范圍，同步
LT8609S：42VIN/2A，獨特的 Silent Switcher 2 架構(gòu)
升壓型轉(zhuǎn)換器的VIN總是小于VOUT。由于最大占空比限制的存在，使用者無法獲得想要的任意高電壓。
如圖3所示，升壓型拓撲中S2是控制開關(guān)，與降壓型拓撲較為類似，表現(xiàn)為在X軸上進行了翻轉(zhuǎn)。輸入端與LC濾波器串聯(lián)，故輸入節(jié)點為安靜節(jié)點，而輸出端與開關(guān)串聯(lián)，因此會產(chǎn)生傳導噪聲。
圖3. 升壓型轉(zhuǎn)換器
一般而言，負載需要的電壓高于輸入電壓或希望創(chuàng)建較高的中間總線電壓時會選擇升壓型轉(zhuǎn)換器。升壓型電路設計時應使輸出熱環(huán)路尺寸盡可能小以降低輻射噪聲。另外，需要注意的是反饋節(jié)點，反饋產(chǎn)生的輸出電壓可能高至足以破壞開關(guān)以及下游任何器件的程度，若反饋節(jié)點短路，電路會受到破壞性電壓的影響。
推薦型號
LT8330：60V/1A（開關(guān)），小尺寸，非同步升壓轉(zhuǎn)換器
LT3461：40V/250mA（開關(guān)），小尺寸，集成肖特基二極管
LT8410：42V/25mA（開關(guān)），超小尺寸，同步升壓轉(zhuǎn)換器
LT8338：40V/1.2A（開關(guān)），小尺寸，同步升壓轉(zhuǎn)換器
SEPIC是單端初級電感轉(zhuǎn)換器的首字母縮寫。SEPIC轉(zhuǎn)換器的輸入VIN可以高于、等于或低于輸出VOUT，由于最大和最小占空比限制的存在，降壓和升壓的最高及最低值也會有所限制。
如圖4所示，熱環(huán)路于輸出側(cè)，存在兩個輻射開關(guān)節(jié)點，輸出側(cè)噪聲較高。工作于降壓模式時，降壓型輸出側(cè)安靜的特點并未改變，畢竟輸出側(cè)有電感的存在。
圖4. SEPIC轉(zhuǎn)換器
可以注意到電容與循環(huán)熱環(huán)路串聯(lián)，轉(zhuǎn)換器適應于輸入到輸出沒有直流短路路徑的場合?？梢栽赟EPIC拓撲中使用耦合電感以獲得更佳的噪聲性能。此電路基于升壓器件構(gòu)建，因此即使提供降壓功能，但若反饋節(jié)點短路，仍然會受到破壞性電壓的影響。
Cuk轉(zhuǎn)換器根據(jù)拓撲發(fā)明人庫克而命名。Cuk電路將正電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨撾妷?，相當于反相拓撲結(jié)構(gòu)。Cuk和SEPIC極為接近，只是輸出開關(guān)和頂部電感交換了位置，消除了VOUT和接地連接，因此分析Cuk的方式與SEPIC雷同，只不過要在輸出電壓上添加負號。
如圖5所示，輸入和輸出均與LC濾波器串聯(lián)，并且兩個開關(guān)都與地串聯(lián)，因此這是一個較為安靜的轉(zhuǎn)換器。熱環(huán)路的物理尺寸必須很小，雖然有兩個開關(guān)節(jié)點但輸入或輸出端口不會傳導快速邊沿噪聲。需要正電壓轉(zhuǎn)換為負電壓或希望輸出噪聲較低或不希望向輸入傳導噪聲的應用中，此拓撲是個不錯選擇。
圖5. Cuk轉(zhuǎn)換器
此拓撲的開關(guān)總應力等于VIN+|-VOUT，而非VIN+（-VOUT），比如將36V轉(zhuǎn)換為-36V，開關(guān)應力則為72V加上開關(guān)過沖。因此，若使用此電路，需要選擇一款具有適當開關(guān)電壓額定值的升壓器件。
推薦型號：
LT8330：小尺寸，非同步，60V/1A（開關(guān)型）
LT3471：雙SEPIC/Cuk，42V/1.3A（開關(guān)型）
LT3483：超小尺寸，逆變器，40V/400mA（開關(guān)型）
LT8362：小尺寸，非同步，60V/2A（開關(guān)型）
反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將正電壓轉(zhuǎn)為負電壓，VOUT連接到地，表現(xiàn)為-VOUT，VIN的幅值總是大于-VOUT的幅值。開關(guān)管S1和S2分別與輸入和輸出串聯(lián)，因此，兩個端口都會傳導快速邊沿紋波噪聲。
如圖6所示，需要負供電軌且空間及其受限的場合可以使用此拓撲，它看似像降壓型但并非降壓型。除增加的一個電容外，尺寸與降壓型相同，有些高壓降壓型器件可以照此應用以獲得負供電軌。
圖6. 反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
對于此拓撲，有幾點需要注意：1.器件上所有接地引腳都未接系統(tǒng)地；2.正常工作的前提是需要添加啟動電容；3. VIN降壓為-VOUT，但實際運行在升壓模式下，這意味會引入RHPC，導致補償比降壓型更為復雜。
反激式是基于升壓的拓撲結(jié)構(gòu)而建立，不同點是通過變壓器實現(xiàn)隔離，占空比約束發(fā)生變化，占空比與繞組比成比例，可以獲得幾乎任何VIN/VOUT比。
如圖7所示，反激型有兩個熱環(huán)路，一個在輸入端，一個在輸出端，這些環(huán)路需要最小化，而變壓器的大小有時會使這一任務具有挑戰(zhàn)性。開關(guān)節(jié)點會產(chǎn)生很大的反激脈沖，反激脈沖與輸出電流成比例，需要調(diào)節(jié)網(wǎng)絡進行緩沖，并且這些元件有時也會有輻射。
圖7. 反激式轉(zhuǎn)換器
后平面和熱側(cè)之間需要直流隔離時，用于現(xiàn)場或儀器控制中，可以使用反激型。當需要隔離也可以使用反激型，但輸入輸出范圍必須比較寬，例如產(chǎn)生數(shù)百伏或數(shù)千伏電壓。該拓撲往往含有較高的共模漏電流，因此，在具有安全標準額定值的系統(tǒng)中使用時需要注意這一點。
由于輸出脈沖無固有連接，因此，對于任何極性甚至帶有額外繞組的多個極性，任何一個節(jié)點都可以是次級側(cè)。另外，非光學反饋器件的電壓和負載調(diào)整往往比直接反饋更為柔和。
推薦型號：
LT8301：非光學/單片，42V/6W
LT3511：非光學/單片，100V/2.5W
LTC3803：非光學/控制器，75V/15W
LT3001：非光學/單片，36V/4W
同反激式拓撲一樣，推挽型拓撲也是使用變壓器調(diào)整輸出，但是這種拓撲的工作方式?jīng)Q定了其占空比最大值為50%。
如圖8所示，推挽型有兩個開關(guān)節(jié)點，次級側(cè)存在與輸出串聯(lián)的LC濾波器，因此當需要安靜的輸出時此拓撲很有用，這使它很受需要隔離的信號鏈應用的歡迎。輸入側(cè)有一個熱環(huán)路，所示的簡化模型顯示了循環(huán)熱環(huán)路，每一次傳導的時間是一半，因此，熱環(huán)路實際上是兩個半周期環(huán)路的疊加。
圖8. 推挽式轉(zhuǎn)換器
當需要直流隔離同時希望降低輸出噪聲和共模漏電流時，通常會選擇推挽型結(jié)構(gòu)。與此拓撲相關(guān)的考慮是占空比限制，若總線變化，可能會導致次級側(cè)偏差，而占空比鉗位在50%。另外，用于此拓撲的變壓器有時可能較大，相對于傳輸相同功率量的反激型而言，推挽電路具有較低共模漏電流。
推薦型號：
LT3999：可編程電流限值，F(xiàn)sync最高1MHz，2.7V-36VIN/雙通道1A（開關(guān)）
MAX13253：低噪聲控制的擺率，250/600KHz，帶擴頻，3.0V/5.5Vin/雙通道1A（開關(guān)）
MAX256：簡單的低噪聲隔離，3.3V/5VIN – 3W
4開關(guān)降壓-升壓式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)與SEPIC一樣，VIN可以高于、低于或等于VOUT，但與SEPIC不同的是它有4個開關(guān)和1個電感。
如圖9所示，升壓模式下，左上角開關(guān)接通并保持導通，右側(cè)兩個管換相，表現(xiàn)為傳統(tǒng)的升壓型結(jié)構(gòu)。降壓模式下，右上角開關(guān)接通并保持導通，左側(cè)換相，表現(xiàn)為傳統(tǒng)的降壓操作。當VIN接近VOUT時，所有四個開關(guān)都換相調(diào)節(jié)平均電壓。
圖9. 4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
降壓模式下熱環(huán)路在輸入側(cè)，右側(cè)開關(guān)產(chǎn)生輻射；升壓模式下熱環(huán)路在輸出側(cè)，左側(cè)開關(guān)產(chǎn)生輻射。四開關(guān)模式下，兩個熱環(huán)路都處于活動狀態(tài)，并且兩個開關(guān)都產(chǎn)生輻射。在升壓和降壓-升壓模式下，輸出側(cè)確實有一個熱環(huán)路，但與SEPIC不同，在降壓模式下輸出側(cè)沒有熱環(huán)路。
若需要類似SPEIC這樣的解決方案但要求尺寸較小時，可以選擇此結(jié)構(gòu)，畢竟僅有一個電感。需要注意的是在模式轉(zhuǎn)換期間，可能有短暫的頻譜成分，ADI公司新一代器件已經(jīng)消除了很多此類問題，當然并非每家廠商都會這么做。
另外，上方開關(guān)接通并保持導通，頂部驅(qū)動器必須定期刷新以使該開關(guān)不是一直完全斷開。此外，為防止模式改變期間發(fā)生震顫，模式轉(zhuǎn)換會有一定滯回，在緩慢變化的輸入上操作的時間可能較長。
推薦型號：
LT3433：4-60VIN/3.3-20VOUT，可選升壓模式，500mA（開關(guān)）
LTC3114-1：40VIN/40VOUT，可編程均值Iout，1A（降壓）/1.7A（開關(guān)）
LTM8083：3-36VIN/1-36VOUT，6.25 × 6.25 × 2.22mm uModule，1.5A（降壓）
了解了基本轉(zhuǎn)換類型及噪聲與輸入和輸出的關(guān)系后，需要考慮如何在系統(tǒng)中將這些類型靈活應用、整合且建立一個完整的電源系統(tǒng)。一般做法是畫出系統(tǒng)示意圖，也稱為電源樹，按照系統(tǒng)化方法進行分解和分析，確定電源方案合理性。
建立電源樹時需要確定系統(tǒng)的輸入電壓特點，固定輸入還是有較寬輸入范圍？需要確定系統(tǒng)信號鏈需要的電源特點，正電壓還是負電壓？電流的消耗多大？預期噪聲水平和在信號鏈中需要的最高精度等。
ADI提供設計工具Power CAD幫助使用者進行假設分析和迭代設計，助力提供合理的電源方案。
輸入：12-36VIN
輸出：5VA/10mA（噪聲非常低）；-2.5VS/5mA（噪聲非常低）；1.8VDDIO/15mA（無關(guān)緊要）
設計優(yōu)先級：尺寸 > 噪聲 > 效率 > 成本
設計策略：
降壓：寬VIN，低輸出噪聲
LDO：輸出噪聲非常低
電荷泵逆變器+LDO：小尺寸、低成本
如圖10所示，此案例中VIN是寬電壓輸入，因此選擇降壓型結(jié)構(gòu)；二是需要最佳噪聲，因此選擇LDO；最后，需要負供電軌，因此使用電荷泵反相器。基于此分析，構(gòu)建了如下電源樹，但是發(fā)現(xiàn)雖然LT8618降壓轉(zhuǎn)換器的輸入噪聲和反相電荷泵ADP3605的輸出噪聲均被LDO阻擋，但反相器ADP3605的輸入噪聲毀壞了所提供的所有增益。
為解決反相器輸入噪聲過大的問題，可以使用反相降壓升壓或Cuk轉(zhuǎn)換器。如圖11所示，Cuk轉(zhuǎn)換器具有更低的輸入噪聲，可以將高開關(guān)電壓Cuk放在第一級以獲得更高效率，或考慮到開關(guān)電壓較小而放在第二級。綜合考慮設計優(yōu)先級，尺寸是最高優(yōu)先級，因此把它放在第二級。LDO要比降壓轉(zhuǎn)換器解決方案小很多。
總結(jié)案例研究Ⅰ，需要清楚了解轉(zhuǎn)換器的噪聲特性，比如電荷泵在輸入端和輸出端都有高噪聲；再是清楚設計優(yōu)先級，比如雖然降壓轉(zhuǎn)換器的效率會更高，但對于功耗只有幾毫安的應用，效率差異不會轉(zhuǎn)化為很多熱量，LDO更為適宜。
圖10. 案例分析
圖11. 案例分析
輸入：5VIN和3.3Vin固定
輸出：12VAMP/50mA（噪聲非常低）；8VA/35mA（噪聲非常低）；5VC/15mA（低噪聲）；2.5VL/8mA（無關(guān)緊要）
設計優(yōu)先級：噪聲 > 尺寸 > 效率 > 成本
設計策略：
升壓：5V需要升壓
LDO：輸出噪聲非常低
本案例中噪聲最受關(guān)注，因此必須使用LDO，同時又有升壓要求，故選用LDO和升壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)最低輸出噪聲。但不足之處是此方案使用了3個升壓轉(zhuǎn)換器和4個LDO，如圖12所示。
為簡化方案，可以考慮中間總線加雙降壓策略，如圖13所示。對電源樹進行優(yōu)化，使用LT8338將電壓升至中間母線電壓，再通過降壓轉(zhuǎn)換器LTC3104和雙LDO LT3027給負載供電。此設計中LDO實現(xiàn)了低噪聲要求，降壓轉(zhuǎn)換器給不需要大量降噪的負載供電，提供較高的效率。
圖12. 案例分析（3路升壓+4路LDO）
圖13. 案例分析（中間母線方案）
為驗證和測試實際信號鏈的噪聲性能，ADI提供了堪稱顛覆性的電源硬件評估平臺，利用上述討論的拓撲、器件以及各種電路板硬件創(chuàng)建電源樹，并與實驗室電源連接進行評估。為驗證降噪策略，ADI還提供了定制的二階LCR濾波器試驗板進行噪聲評估及測試。該平臺提供了一套完整的工程資料、全面的演示手冊和應用指南幫助使用者根據(jù)應用需求快速修改和配置電路。配合硬件平臺，提供的軟件工具SCP Configurator便于使用者選擇產(chǎn)品系列中的最佳器件，支持快速創(chuàng)建能夠有效工作的硬件并測試噪聲性能。
電源拓撲和架構(gòu)對噪聲和性能產(chǎn)生不同的影響，通過電源樹評定電源策略，確定適合特定的應用。ADI旨在電源管理權(quán)衡因素中提供指導，幫助設計人員盡可能實現(xiàn)更高的信號鏈精度。
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