开关电源供电电路中放大器电源抑制比的影响与改善方法
放大器参数解析与LTspice仿真 2022-09-23

    相比线性电源而言,开关电源具有高效率、小体积等优势,已经广发应用在各类电子产品。但是在精密测量电路中,开关电源对模拟信号的处理电路有很大挑战,不可忽视的原因是放大器的交流电源抑制能力有限。本篇讨论放大器电源抑制比的交流性能评估方法,以及提升抑制性能的方法。

    放大器电源抑制比的具有两个特点:

(1)电源抑制比随频率的上升而明显下降。

(2)放大器正、负电源的共模抑制比,随频率的上升抑制能力存在差异。

    如图2.61为ADA4077电源抑制比与频率的关系,可以观察到正电源抑制比和负电源抑制比的曲线不重合。在±15V电源供电时,在100Hz处的负电源电源抑制比约为100dB,正电源电源抑制比约为90dB时。当频率超过100KHz时,正、负电源抑制比大幅下降40~60dB。

 图2.61 ADA4077电源抑制比与频率的关系

    如图2.62,使用频率为400KHz的开关电源,产生具有20mV纹波的+5V电压为ADA4077供电。参阅图2.61,ADA4077在400KHz处的共模抑制比约为20dB。所以在ADA4077输入端产生幅值为2mV,频率为400KHz的噪声,折算到输出端是幅值为4mV频率为400KHz噪声。

图2.62 ADA4077电源抑制比评估电路

    所以在开关电源供电精密电路中,依靠放大器自身提高电源抑制比的方式十分有限。提升电路电源抑制能力的方法有两种:

    1.电源路径增加滤波;

    如图2.67。通常为电解电容、陶瓷电容的组合,部分情况可能增加铁氧体磁珠。其中,C1用作瞬态电流的电荷库抑制低频噪声,通常为10~100μF的电解电容。C2用作抑制高频电源噪声,通常为0.01~0.1μF低电感表面贴装陶瓷电容,并且PCB布局位置紧邻IC电源引脚摆放,然后通过最短线路连接到大面积、低阻抗的地平面才能有效。

图2.67电源去耦电路

    2.放大器优先使用线性电源进行供电。

    在选择线性电源时需要,重点关注开关电源的频率以及待选线性电源在该频率附近的电源抑制比性能。

    如图4.2(a)是广大工程师所熟知的LDO 1117电源抑制比与频率关系,可见1117在1KHz处电源抑制比最强,达到84dB,频率为100KHz的电源抑制比仅为40dB,高于100KHz的电源抑制比性能没有提供。

    而图4.2(b)是笔者在精密测量领域成功推广的线性电源LT3045的电源抑制比与频率关系,在1KHz处电源抑制比超过110dB,在1MHz处电源抑制比至少为76dB。

图4.2 1117与LT3045电源抑制比

    如图4.3(a)为 LT3045 的电源抑制比仿真电路,结果如4.3(b),频率低于1KHz时,电源抑制比普遍高于100dB,频率为10~400KHz时,电源抑制比在77dB左右,并且目前小体积DCDC开关频率可以达到1~2MHz,在该范围内,电源抑制比明显增强。

图4.3 LT3045 PSRR仿真

    因此,如果将LT3045 添加到图2.62的供电电路中,开关电源中20mV 400KHz的纹波信号将被抑制在2μV左右,大大降低开关电源纹波对放大器电路的影响。

    如下,聊一个LDO电源抑制比改善的实例,2018年1月12日,笔者拜访某创业孵化基地的团队,了解到他们正在研发一款控制手抖动范围的设备。项目是2016年底启动,由海外专家团队负责软件与算法,孵化基地的团队负责硬件研发。样机中使用ADI极低噪声、高性能的MEMS传感器,研发1年的测试情况远远达不到预期,所能控制的手抖动范围在500μm。

    笔者与工程师沟通硬件情况,发现传感器板卡与电机控制板卡使用同一开关电源,然后通过1117降压到3.3V 供给传感器板卡。笔者建议工程师整改样机电源系统的架构,独立处理控制部分与传感部分的电源。并推荐传感器板增设低噪声,电源抑制能力超强的LT3045/3042。

    工程师当场决定先申请LT3042样品整改传感器板卡电源,3月初工程师反馈改版后的效果显著,样机测试抖动范围小于100μm,已经开始整改控制部分电源,并且工程师有信心将抖动范围控制在小于50μm的水平。同年5月中旬,项目在海外临床试验取得良好反馈,同年8月项目完成孵化成立公司,后期由专门负责医疗领域的同事继续支持。

    本篇文章铺垫到这里,如果再不直说可能还有读者看不出,这就是一个LT3042/3045的广告。就问大家加的硬不硬,硬不硬?关于LT304x系列LDO应用还有很多实例,这里就不赘述。关于LT3045更全面的实测数据,请参考电源网资深版主黄亭先生的《探索微弱信号的先行者——ADI超低噪声稳压器LT3045实测》。

    最后,关于放大器电源抑制比与频率再次提醒一下工程师,在DCDC电源供电的信号处理电路中,不能仅靠放大器自身电源抑制能力,简单有效的方式是增加高电源抑制比的线性电源LDO。但是,需要重点核实该LDO,在所使用的DCDC对应的开关频率处的抑制能力,不能仅仅查看LDO数据手册首页中给出典型参数,首页的篇幅有限通常仅仅提供在1KHz,10KHz处的电源抑制比参数,这个频率远低于目前DCDC的开关频率,不能有效评估LDO效用。


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