РадиоЛоцман - Все об электронике

Снижение шумов и пульсаций с помощью малошумящего понижающего преобразователя

Texas Instruments TPS62912 TPS62913

Минимизация шума является общей проблемой инженеров, разрабатывающих источники питания для чувствительных к шуму элементов контрольно-измерительных и радиотехнических систем, таких как тактовые генераторы, преобразователи данных или усилители. Хотя термин «шум» может пониматься по разному разными людьми, в этой статье я определю его как низкочастотный тепловой шум, создаваемый резисторами и транзисторами в схеме. Шум можно определить по кривой его спектральной плотности в микровольтах на корень из герц, и как интегрированный выходной шум в среднеквадратичных микровольтах, как правило, в некотором диапазоне от 100 Гц до 100 кГц. Шум в источнике питания может ухудшить характеристики аналого-цифрового преобразователя и вызвать дрожание тактовых импульсов.

Держим старые цены на MEAN WELL весь июль!

Типичная малошумящая архитектура, основанная на использовании DC/DC преобразователя, LDO регулятора и фильтра с ферритовой бусиной.
Рисунок 1. Типичная малошумящая архитектура, основанная на использовании DC/DC преобразователя,
LDO регулятора и фильтра с ферритовой бусиной.

Традиционный подход к построению источников питания для генераторов синхросигналов, преобразователей данных или усилителей основан на использовании DC/DC преобразователя, подключенного к его выходу линейного регулятора с низким падением напряжения (LDO), такого как TPS7A52, TPS7A53 или TPS7A54, и оконечного фильтра на базе ферритовой бусины, как это показано на Рисунке 1. Такой подход сводит к минимуму как шумы, так и пульсации источника питания, и хорошо работает при токах нагрузки, меньших примерно 2 А. Однако по мере увеличения нагрузки потери мощности в LDO приводят к проблемам с КПД и отводом тепла. Например, в типичном приложении аналогового интерфейса LDO пострегулятор может добавить 1.5 Вт потерь мощности. Значит у тех, кому надо совместить в своей конструкции низкий уровень шума и высокий КПД, нет вариантов? Не совсем.

Использование малошумящего понижающего преобразователя вместо LDO регулятора

Один из способов контроля потерь мощности – минимизация падения напряжения на LDO регуляторе. Однако такой подход отрицательно скажется на шумовых характеристиках. Кроме того, более мощные LDO обычно крупнее, что может увеличить размеры и стоимость конструкции. Более эффективный способ обеспечения низкого уровня шума при одновременном контроле потерь мощности – это полное исключение LDO из схемы и использование малошумящего понижающего DC/DC преобразователя, как показано на Рисунке 2.

Использование малошумящего понижающего преобразователя без LDO регулятора.
Рисунок 2. Использование малошумящего понижающего преобразователя без LDO регулятора.

Я знаю, о чем вы думаете: каким образом можно, удалив основное устройство, предназначенное для подавления шумов, все равно обеспечить низкий уровень шума? Многие источники опорного напряжения (ИОН) LDO регуляторов имеют фильтр нижних частот, минимизирующий шум в усилителе ошибки. В семействе малошумящих понижающих преобразователей TPS62912 и TPS62913 [1] реализован вывод шумоподавления/мягкого запуска (NR/SS) для подключения к нему внешнего конденсатора, который вместе со встроенным резистором RF образует фильтр нижних частот (Рисунок 3).Эта реализация, по существу, имитирует поведение фильтра нижних частот опорного источника LDO регулятора.

Блок-схема малошумящего понижающего преобразователя с фильтром напряжения опорного источника.
Рисунок 3. Блок-схема малошумящего понижающего преобразователя
с фильтром напряжения опорного источника.

А как насчет пульсаций выходного напряжения?

Каждый DC/DC преобразователь создает пульсации выходного напряжения на своей частоте переключения. В прецизионных системах уровни пульсаций напряжения на шинах аналогового питания должны быть как можно более низкими, чтобы минимизировать спектральные пики, которые обычно зависят от частоты переключения DC/DC преобразователя, величины индуктивности, выходной емкости, эквивалентного последовательного сопротивления и эквивалентной последовательной индуктивности. Чтобы уменьшить пульсации напряжения на нагрузке, создаваемые этими компонентами, инженеры часто используют LDO и/или небольшую ферритовую бусину и конденсаторы для создания П-образного фильтра. Понижающие преобразователи с низким уровнем пульсаций, такие как TPS62912 или TPS62913, рассчитаны на использование такого фильтра, для чего в них интегрированы схемы компенсации ферритового фильтра и частотной коррекции цепи обратной связи от удаленного датчика. Использование индуктивности ферритовой бусины в сочетании с дополнительным выходным конденсатором устраняет высокочастотные компоненты пульсаций выходного напряжения, снижая пульсации, как видно из Рисунка 4, примерно на 30 дБ.

Пульсации выходного напряжения до фильтра с ферритовой бусиной (а) и после фильтра (б).
Рисунок 4. Пульсации выходного напряжения до фильтра с ферритовой бусиной (а) и после фильтра (б).

Заключение

Благодаря интеграции функций, снижающих системные шумы и пульсации, малошумящие понижающие преобразователи могут помочь инженерам в создании решения для малошумящего источника питания без необходимости использования LDO регулятора. Конечно, допустимые уровни шума будут различаться для разных приложений, как и характеристики для разных выходных напряжений, поэтому только вы можете выбрать наилучший вариант малошумящей архитектуры для своего проекта. Но если вы хотите упростить схему малошумящего источника аналогового питания, снизить потери мощности и уменьшить общую площадь, занимаемую конструкцией, подумайте об использовании понижающего преобразователя с низким уровнем шумов.

Ссылки

  1. Texas Instruments представила первые в отрасли понижающие преобразователи с компенсацией ферритового фильтра

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments TPS62912
  2. Datasheet Texas Instruments TPS62913

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Minimize noise and ripple with a low-noise buck converter

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

8 предложений от 7 поставщиков
Импульсные регуляторы напряжения 17-VIN, 2-A low noise and low ripple buck converter with integrated ferrite bead filter compensation 10-VQFN-HR -40 to...
TPS62912RPUR
Texas Instruments
от 184 ₽
Элитан
Россия
TPS62912RPUR
Texas Instruments
190 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
TPS62912EVM077
370 667 ₽
DM Electronics
Россия
TPS62912EVM-077
Texas Instruments
516 005 ₽
ADAR3000/3001 16-канальный формирователь диаграммы направленности для К/Ка диапазона частот от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя