為了確保高精度，精密測試和測量系統(tǒng)需要具有低紋波和輻射噪聲的電源解決方案，以免降低高分辨率轉(zhuǎn)換器信號鏈的性能。在這些測試和測量應用中，生成雙極和/或隔離的系統(tǒng)電源在電路板面積、開關(guān)紋波、EMI 和效率方面給系統(tǒng)設計人員帶來了挑戰(zhàn)。
　　ADC 信號鏈不會被開關(guān)電源的雜散紋波音破壞。源測量單元和直流源/電源對于限度地減少高分辨率 DAC 信號鏈上的雜散輸出紋波具有類似的要求。精密測試和測量儀器還存在增加通道數(shù)以增加并行測試的趨勢。在電隔離應用中，這些多通道儀器對通道間隔離的需求不斷增加，其中必須在每個通道的基礎上生成電力。這推動了解決方案在保持性能的同時需要越來越小的 PCB 占用空間。在這些應用中實施低噪聲電源解決方案可能會導致 PCB 占用空間大于所需尺寸和/或因過度使用 LDO 穩(wěn)壓器或濾波器電路而導致電源效率降低。
　　例如，1 MHz 時紋波為 5 mV 的開關(guān)電源軌需要 LDO 穩(wěn)壓器和供電 ADC 的組合電源抑制比 (PSRR) 為 60 dB 或更高，才能將 ADC 輸出處的開關(guān)紋波降低至5μV以下。對于高分辨率 18 位 ADC，這只是 LSB 的一小部分。幸運的是，有一些解決方案通過與 μModule? 器件和組件進行更別的電源解決方案集成來簡化這項任務，這些解決方案可提供更高的效率，同時降低輻射噪聲和開關(guān)紋波，例如 Silent Switcher器件和高電源抑制比(PSRR) LDO 穩(wěn)壓器。

　

　　圖 1：具有低電源紋波的非隔離雙極性電源系統(tǒng)（±15 V 和 ±5 V）的電源解決方案。
　　許多精密測試和測量儀器（例如源測量單元或電源）需要多象限操作來源和測量正信號和負信號。這需要以低噪聲且高效的方式從單個正電源輸入生成負電源和正電源。讓我們考慮一個需要從單個正輸入電源生成雙極性電源的系統(tǒng)。圖 1 顯示了產(chǎn)生 ±15V 和 ±5V 的電源解決方案，并使用正負LDO 穩(wěn)壓器來過濾/減少開關(guān)紋波，并生成額外的電壓軌（例如 5V、3.3V 或 1.8V），為信號調(diào)理電路或ADC 和 DAC。
　　此處所示的電源軌解決方案是使用 LTpowerCAD? 中的系統(tǒng)設計器設計的。LTpowerCAD? 設計工具是一個完整的電源設計工具程序，可以顯著簡化許多電源產(chǎn)品的電源設計任務。
　　LTM8049 和 ADP5070/ADP5071 允許我們采用單個正輸入，將其升壓至所需的正電源，并將其反相以生成負電源軌。LTM8049 是一款 μModule 解決方案，大大簡化了執(zhí)行此操作所需的組件數(shù)量 — 我們只需添加輸入和輸出電容器。除了簡化開關(guān)穩(wěn)壓器選擇組件和電路板布局方面的設計挑戰(zhàn)外，LTM8049 還限度地減少了生成雙極電源所需的 PCB 占板面積和材料清單。如果需要較輕負載 (<~100 mA) 下的效率，ADP5070/ADP5071 是更好的選擇。盡管ADP5070解決方案需要更多外部組件（例如電感器和二極管），但它允許對電源解決方案進行更多定制。ADP5070 和 LTM8049 均具有同步引腳，可用于將開關(guān)頻率與 ADC 時鐘同步，以避免在 ADC 敏感時間段內(nèi)切換內(nèi)部 FET。這些穩(wěn)壓器在負載電流僅為 100 mA 時的高效率使其成為精密儀器電源的理想選擇。
　　LT3032 在單個封裝中集成了正負低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器，具有寬工作范圍。LT3023 集成了兩個具有寬工作范圍的低噪聲、正 LDO 穩(wěn)壓器。兩個 LDO 穩(wěn)壓器都配置為以的余量 (~0.5V) 運行，以限度地提高效率，同時還提供來自開關(guān)穩(wěn)壓器級的良好紋波抑制。這兩款 LDO 穩(wěn)壓器均采用小型 LFCSP 封裝，可減少 PCB 占地面積并簡化物料清單。如果 LDO 穩(wěn)壓器需要更高水平的 PSRR 以進一步降低 MHz 范圍內(nèi)的開關(guān)紋波，則應考慮使用 LT3094/LT3045 等 LDO 穩(wěn)壓器。LDO 級所需 PSRR 的選擇取決于組件的 PSRR，例如 ADC、DAC、和由電源軌供電的放大器。一般來說，PSRR 較高的 LDO 穩(wěn)壓器由于靜態(tài)電流較高，效率較低。
　　CN-0345 和 CN-0385 是使用 ADP5070 實現(xiàn)該解決方案的參考設計的兩個示例。這些設計用于使用精密 ADC（例如 18 位/20 位 AD4003/AD4020）進行精密多通道數(shù)據(jù)采集。在 CN-0345 中，使用 LC 儲能電路來過濾來自 ADP5070 的開關(guān)紋波，而不是使用 LDO 穩(wěn)壓器（如圖 1 所示）。在參考設計 CN-0385 中，使用正負 LDO 穩(wěn)壓器（ADP7118 和 ADP7182）在ADP5070之后過濾開關(guān)紋波?？梢栽谠u估板用戶指南中找到使用 ADP5070 為 AD5791 等雙極 20 位精密 DAC 供電的示例。
　　這些示例展示了如何在數(shù)據(jù)采集和精密電源/電源等應用中使用 ADP5070 等開關(guān)穩(wěn)壓器生成雙極電源時保持高水平的精度性能。
　　隔離雙極電源

　　當出于安全原因需要隔離精密測試和測量儀器時，這會給跨隔離柵有效提供足夠功率帶來挑戰(zhàn)。在多通道隔離儀器中，通道間隔離意味著每個通道都有一個電源解決方案。這就需要一個能夠高效供電的緊湊型電源解決方案。圖 2 顯示了使用雙極軌提供隔離電源的解決方案。

　　適用于具有低電源紋波的隔離式雙極性電源系統(tǒng)的電源解決方案。
　　圖 2：低電源紋波隔離式雙極性電源系統(tǒng)的電源解決方案。
　　ADuM3470 和 LTM8067 使我們能夠在 5 V 隔離輸出下通過隔離柵提供高達約 400 mA 的功率，并且效率很高。LTM8067 是一款集成了變壓器和其他組件的 ?Module 解決方案，可簡化隔離電源解決方案的設計和布局，同時限度地減少 PCB 占板面積和物料清單。LTM8067 隔離高達 2 kV rms。為了實現(xiàn)更低的輸出紋波，LTM8068 集成了一個輸出 LDO 穩(wěn)壓器，可將輸出紋波從 30 mV rms 降低至 20 μV rms，但輸出電流降低至 300 mA。
　　ADuM3470 系列使用外部變壓器提供隔離電源，同時還集成了用于 ADC 和 DAC 數(shù)據(jù)傳輸和控制的數(shù)字隔離通道。根據(jù)隔離解決方案的配置方式，隔離電源輸出后可以采用類似于圖 1 的電源解決方案，如圖 2 所示，通過單個正電源在隔離側(cè)生成 ±15 V 電源軌?；蛘?，ADuM3470 設計可配置為直接生成雙極電源，無需額外的開關(guān)級。這會導致 PCB 面積更小的解決方案，但會犧牲效率。ADuM3470 可隔離高達 2.5 kV rms 的電壓，而 ADuM4470 系列可用于高達 5 kV rms 的更別的電壓隔離。
　　CN-0385 是實現(xiàn) ADuM3470 解決方案的參考設計示例，如圖 2 所示。ADP5070 用于隔離側(cè)，從隔離 5.5 V 生成雙極性 ±16 V 電源軌。該參考設計利用ADuM3470 中還包含數(shù)字隔離通道。CN-0393 是使用 ADuM3470 的類似設計。這是基于 ADAQ7980/ADAQ7988 μModule ADC 的銀行隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在此設計中，ADuM3470 配置有外部變壓器和肖特基二極管全波整流器，可直接生成 ±16.5 V，無需額外的穩(wěn)壓級。這允許更小的占地面積解決方案，但代價是效率較低。CN-0292 中顯示了類似的解決方案，它是基于 AD7176 Σ-Δ ADC 的 4 通道數(shù)據(jù)采集解決方案，以及 CN-0233，
　　這些示例展示了如何在隔離數(shù)據(jù)采集或隔離電源中提供隔離電源以實現(xiàn)的性能水平，同時保持較小的 PCB 占用空間或高水平的電源效率。
　　靜音切換器架構(gòu)可高效降壓且噪音低
　　在圖 1 所示的電源方案中，LDO 穩(wěn)壓器用于從 15V 降壓至 5V/3.3V。這并不是生成這些低電壓軌的非常有效的方法。圖 3 顯示了使用 Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器 LTM8074 提高降壓效率的解決方案。
　　LTM8074 是一款 Silent Switcher、μModule 降壓穩(wěn)壓器，采用小型 4 mm × 4 mm 占位面積 BGA 封裝，能夠提供高達 1.2 A 的電流并具有低輻射噪聲。Silent Switcher 技術(shù)可消除開關(guān)電流產(chǎn)生的雜散場，從而降低傳導和輻射噪聲。該 ?Module 器件具有高效率和極低的輻射噪聲，使其成為為噪聲敏感的精密信號鏈供電的選擇。根據(jù)連接到輸出電源的組件（例如放大器、DAC 或 ADC）的 PSRR，可以直接從 Silent Switcher 輸出為它們供電，無需 LDO 穩(wěn)壓器根據(jù)需要進一步過濾電源紋波對于傳統(tǒng)的切換器。其高輸出電流為1. 2 A 還意味著如果需要，它可以用于為 FPGA 等系統(tǒng)中的數(shù)字硬件供電。LTM8074 的小尺寸和高集成度使其非常適合空間受限的應用，同時簡化并加快了開關(guān)穩(wěn)壓器電源的設計和布局。
　
　　圖 3：降壓至較低電壓軌并具有低 EMI 的電源解決方案。
　　如果需要以犧牲 PCB 面積為代價進行更大程度的定制，則可以使用 LT8609S 等產(chǎn)品來實現(xiàn) Silent Switcher 器件的分立實施。這些產(chǎn)品包括擴頻模式，可將開關(guān)頻率下的紋波能量擴展至整個頻帶。這減少了精密系統(tǒng)中電源出現(xiàn)的雜散音調(diào)的幅度。
　　Silent Switcher 技術(shù)與 μModule 解決方案中的高集成度相結(jié)合，解決了精密應用（例如多通道源測量單元）不斷增加的密度需求的挑戰(zhàn)，同時又不影響系統(tǒng)設計人員需要實現(xiàn)的高分辨率性能水平。
　　結(jié)論
　　生成用于精密電子測試和測量的具有隔離功能的雙極電源系統(tǒng)可以在系統(tǒng)性能、保持較小的占地面積和電源效率之間實現(xiàn)平衡。在這里，我們展示了有助于應對這些挑戰(zhàn)并允許系統(tǒng)設計人員做出正確權(quán)衡的解決方案和產(chǎn)品。