開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
盡管在模擬量采集系統(tǒng)中，對ADC芯片等的供電一般建議最好不用開關(guān)電源，以避免其固有的紋波大、噪聲等問題，但開關(guān)電源仍以其高效率、低價格等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用，尤其是在工業(yè)控制等領(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，并對可能出現(xiàn)的一些問題進行分析。
開關(guān)電源對ADC芯片工作的影響及解決方法
電源對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芯片對輸入的模擬信號進行采樣、保持、轉(zhuǎn)換時，電源電壓、參考地的變化，都會對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。因此，一般ADC芯片特別是高精度ADC芯片，都建議最好用質(zhì)量好的線性電源供電。如果采用開關(guān)電源，則需要盡力避免它對ADC芯片產(chǎn)生影響。
圖1是一個典型的應(yīng)用，其中模擬采樣用的信號調(diào)理電路、ADC和現(xiàn)場模擬信號不隔離，ADC芯片和CPU電源相互隔離。CPU采用控制系統(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)部分是典型的串聯(lián)、降壓非隔離型DC-DC變換器的原理框圖。設(shè)計中，可以根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)頻率、 5V消耗電流、要求的輸出紋波最大值，計算出電感L1、電容C1的合適大
為了分析出開關(guān)電源對ADC芯片的影響，這里假設(shè)信號調(diào)理電路及ADC芯片正常運行的耗電是25mA/ 5V，對于光耦部分，如果采用6N136、TLP521等三極管輸出型的光耦，則當(dāng)CPU不啟動ADC工作時，光耦全不導(dǎo)通，耗電小于1mA；當(dāng)CPU啟動ADC工作時，將有數(shù)據(jù)輸出Dout、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好Ready等信號經(jīng)過光耦，光耦處于導(dǎo)通狀態(tài)，為了達(dá)到比較高的通訊速率，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。正常開關(guān)電源設(shè)計的輸出電流應(yīng)該2倍于最大負(fù)載電流，這里設(shè)為100mA，下面將要說明負(fù)載電流的變化將極大影響 5V，從而影響ADC采樣穩(wěn)定性。
開關(guān)電源的工作原理是，平時Q1的周期性開關(guān)動作，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/下降超過一定限度(如幾十毫伏)，經(jīng)過采樣、反饋后，開關(guān)控制電路控制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的最大紋波，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控制Q1的開關(guān))、開關(guān)頻率等計算出來。
但如果是圖1中帶光耦的情況，開關(guān)電源的輸出不僅供給相對恒定的負(fù)載(如信號調(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)生最壞的情況是，當(dāng)開關(guān)管Q1正處于上述穩(wěn)定工作中的關(guān)斷時刻，光耦突然被ADC導(dǎo)通，此時L1、C1將要提供50mA的負(fù)載電流，而平時穩(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，造成更大的輸出紋波。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最壞情況，實際應(yīng)用中，濾波電容等器件的非理想性、PCB布線等等，將使得電源紋波更大，ADC采樣結(jié)果不穩(wěn)定。有的微功率型隔離DC/DC，或者如電荷泵器件，只有開關(guān)管的周期性開關(guān)動作，而沒有上述采樣、反饋電路，輸出更容易受到負(fù)載不穩(wěn)定的影響，使得ADC采樣結(jié)果更不穩(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，因為雖然目前開關(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)時間仍至少要幾個μs，低于目前大多ADC采樣的速度。比如采用光耦6N137就比6N136好，因為6N137只是靜態(tài)電流比較大，而它需要的二極管導(dǎo)通電流小，使得電源的負(fù)載變化不會很大。或者不把模擬 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)載變動的影響。同樣一個值得注意的問題是，不要使用ADC芯片的Ready、Dout、Din等引腳直接驅(qū)動光耦，最好通過光耦驅(qū)動電路，使得模擬和數(shù)字電源得到很好地相互隔離，避免在光耦開關(guān)時，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，再供給信號調(diào)理電路、ADC芯片，保證模擬電路電源的穩(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，此時應(yīng)該針對不同的負(fù)載電流大小，選擇相應(yīng)的L、C數(shù)值，必要的時候，要通過一定的計算、仿真及試驗來加以確定。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；同時經(jīng)過LC濾波或者RC濾波，再供給信號調(diào)理電路、ADC芯片。在采用LC濾波時，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，最后單點連接?；蛘邇烧卟捎脙蓚€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。原因和上文分析一樣，也是為了更好的避免數(shù)字、模擬之間電源的相互干擾。
一般模擬量信號進入ADC芯片之前，要利用運算放大器進行信號調(diào)理，以提供必要的電平變換、濾波、ADC芯片驅(qū)動等等。運算放大器與ADC相接口時，容易受到電源的影響，從而也影響ADC芯片采集的穩(wěn)定。圖2是運算放大器與ADC的典型接口圖。
大多ADC芯片內(nèi)部的模擬輸入端都具有一個采樣電容Cin，電阻R1對運放輸出限流，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，與運放的穩(wěn)定性、建立時間、ADC采樣時間、需要的采樣精度有關(guān)。
這里要指出的是，在上述過程中，運放的電源也會起很大的作用。在運放對電容充電期間，瞬間需要較大的電流，而開關(guān)電源的負(fù)載響應(yīng)時間不夠，將造成比較大的電源紋波，影響運放的輸出。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，Cin從-5V切換到C1上的電壓 5V，C1迅速給Cin充電，最終電壓為(5V×10-5V)/11＝4.09V，運放輸出要從5V變到4.09V，R1太小容易帶來運放輸出穩(wěn)定性問題，同時也會對運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放-VCC提供小的負(fù)電源時，電荷泵輸出電壓隨負(fù)載增大而降低的特性使得效果更加明顯。比較發(fā)現(xiàn)，運放采用直流線性穩(wěn)壓電源時，12位的ADC采集結(jié)果很穩(wěn)定，結(jié)果變動可達(dá)1LSB以下；相比之下，采用電荷泵器件時，如果電荷泵輸出沒有大的濾波，ADC采集結(jié)果晃動可達(dá)3LSB。如果增大R1為100Ω時，C1=10Cin，不考慮運放輸出電阻時，需要運放輸出電流的最大值為(5－4.09)V/100Ω＝9.1mA)，小于一般運放的最大輸出電流。但R1太大，將明顯降低ADC所能采集到的信號頻率，在ADC對該通道“跟蹤”期間，運放無法完成對C1和Cin充電，使得該次采樣與運放輸入端電壓相差較大，會造成諧波失真。
解決辦法除了前文描述的以外，同時還可以采用以下方法：
1. 運放的正負(fù)電源對地除并接一個10~22μF大電容以減少電源紋波外，再并接一個0.1~1μF的小陶瓷電容，以通過0.1~1μF高頻去耦電容的作用，避免負(fù)載電容的瞬間充電對電源的影響。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，減小運放的輸出電流，能起到一定的濾波作用。當(dāng)然R1大的話，將衰減通過運放的信號。
開關(guān)電源對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。同時注意，對連續(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現(xiàn)的。
這樣，對應(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，對參考源而言，將看到一個變化的容性負(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，而外部參考源的容性負(fù)載能力又不夠時，需要在外部參考源輸出端，串一個緩沖器，再通過一個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，并接一個10~22μF大電容和一個0.1~1μF的小陶瓷電容等。
本文小結(jié)
本文雖然針對SAR型ADC進行分析、處理，但其應(yīng)用原理，對各種ADC都有參考價值。仔細(xì)分析各個環(huán)節(jié)的工作原理，采取一定的對策，就能在模擬量采集系統(tǒng)中，使用廉價的開關(guān)電源，而又獲得極佳的采集性能。
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