信號(hào)鏈的電源管理如何選？

降壓型轉(zhuǎn)換器（Buck）降壓型轉(zhuǎn)換器V_IN總是大于V_OUT，由于最小占空比限制的存在，在給定的工作頻率下無(wú)法實(shí)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(biāo)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(biāo)示幾個(gè)環(huán)路，分別用紅色，藍(lán)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(dǎo)通時(shí)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(diǎn)；

• 藍(lán)色環(huán)路：控制開關(guān)管S1斷開、開關(guān)管S2導(dǎo)通時(shí)的電流路徑。輸出端與二階LC濾波器串聯(lián)，故此節(jié)點(diǎn)噪聲較低；

• 橙色節(jié)點(diǎn)：開關(guān)管S1和S2的高頻切換使得此節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生高頻電壓交替變化，故此節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生高頻輻射，PCB布局時(shí)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(duì)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(shí)域中的邊沿跳變相當(dāng)于頻域中的廣泛頻譜，因此，為避免高頻噪聲，PCB布局時(shí)應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)景為：

1. 輸入范圍較寬；

2. 系統(tǒng)希望的效率遠(yuǎn)大于LDO可提供的效率；

3. 系統(tǒng)需要干凈的輸出。

對(duì)于內(nèi)部補(bǔ)償?shù)慕祲盒推骷?dāng)占空比遠(yuǎn)大于50%時(shí)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償可能很棘手，同時(shí)我們還希望避免出現(xiàn)低頻振蕩。

推薦型號(hào)

• LT8618：65V_IN/100mA，小尺寸，同步

• LT8604C：42V_IN/120mA，小尺寸，同步

• MAX17530：42V_IN/25mA，超小小型器件，寬輸入電壓范圍，同步

• LT8609S：42V_IN/2A，獨(dú)特的 Silent Switcher 2 架構(gòu)

LT8618、LT8604C均可在 ADI 中國(guó)在線商城 直接下單采購(gòu)。

升壓型轉(zhuǎn)換器的V_IN總是小于V_OUT。由于最大占空比限制的存在，使用者無(wú)法獲得想要的任意高電壓。

如圖3所示，升壓型拓?fù)渲蠸2是控制開關(guān)，與降壓型拓?fù)漭^為類似，表現(xiàn)為在X軸上進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)。輸入端與LC濾波器串聯(lián)，故輸入節(jié)點(diǎn)為安靜節(jié)點(diǎn)，而輸出端與開關(guān)串聯(lián)，因此會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲。

圖3.升壓型轉(zhuǎn)換器

一般而言，負(fù)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(shí)會(huì)選擇升壓型轉(zhuǎn)換器。升壓型電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(diǎn)，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(diǎn)短路，電路會(huì)受到破壞性電壓的影響。

推薦型號(hào)

• 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

LT8330、LT3461、LT8410、LT8338均可在 ADI 中國(guó)在線商城直接下單采購(gòu)。

篇幅限制，以上轉(zhuǎn)換器的介紹及型號(hào)推薦，請(qǐng)下載解決方案《信號(hào)鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計(jì)所需的所有精度》查看完整文檔。

掃碼下載

反激式是基于升壓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而建立，不同點(diǎn)是通過(guò)變壓器實(shí)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V_IN/V_OUT比。

如圖7所示，反激型有兩個(gè)熱環(huán)路，一個(gè)在輸入端，一個(gè)在輸出端，這些環(huán)路需要最小化，而變壓器的大小有時(shí)會(huì)使這一任務(wù)具有挑戰(zhàn)性。開關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)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(luò)進(jìn)行緩沖，并且這些元件有時(shí)也會(huì)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(shí)，用于現(xiàn)場(chǎng)或儀器控制中，可以使用反激型。當(dāng)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?fù)渫休^高的共模漏電流，因此，在具有安全標(biāo)準(zhǔn)額定值的系統(tǒng)中使用時(shí)需要注意這一點(diǎn)。

由于輸出脈沖無(wú)固有連接，因此，對(duì)于任何極性甚至帶有額外繞組的多個(gè)極性，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以是次級(jí)側(cè)。另外，非光學(xué)反饋器件的電壓和負(fù)載調(diào)整往往比直接反饋更為柔和。

推薦型號(hào)

• LT8301：非光學(xué)/單片，42V/6W

• LT3511：非光學(xué)/單片，100V/2.5W

• LTC3803：非光學(xué)/控制器，75V/15W

• LT3001：非光學(xué)/單片，36V/4W

LT8301、LT3511、LT3803、LT3001均可在 ADI 中國(guó)在線商城直接下單采購(gòu)。

同反激式拓?fù)湟粯?，推挽型拓?fù)湟彩鞘褂米儔浩髡{(diào)整輸出，但是這種拓?fù)涞墓ぷ鞣绞經(jīng)Q定了其占空比最大值為50%。

如圖8所示，推挽型有兩個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)，次級(jí)側(cè)存在與輸出串聯(lián)的LC濾波器，因此當(dāng)需要安靜的輸出時(shí)此拓?fù)浜苡杏?，這使它很受需要隔離的信號(hào)鏈應(yīng)用的歡迎。輸入側(cè)有一個(gè)熱環(huán)路，所示的簡(jiǎn)化模型顯示了循環(huán)熱環(huán)路，每一次傳導(dǎo)的時(shí)間是一半，因此，熱環(huán)路實(shí)際上是兩個(gè)半周期環(huán)路的疊加。

圖8. 推挽式轉(zhuǎn)換器

當(dāng)需要直流隔離同時(shí)希望降低輸出噪聲和共模漏電流時(shí)，通常會(huì)選擇推挽型結(jié)構(gòu)。與此拓?fù)湎嚓P(guān)的考慮是占空比限制，若總線變化，可能會(huì)導(dǎo)致次級(jí)側(cè)偏差，而占空比鉗位在50%。另外，用于此拓?fù)涞淖儔浩饔袝r(shí)可能較大，相對(duì)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(hào)：

• LT3999：可編程電流限值，F(xiàn)sync最高1MHz，2.7V-36V_IN/雙通道1A（開關(guān)）

• MAX13253：低噪聲控制的擺率，250/600KHz，帶擴(kuò)頻，3.0V/5.5V_IN/雙通道1A（開關(guān)）

• MAX256：簡(jiǎn)單的低噪聲隔離，3.3V/5V_IN – 3W

LT3999可在 ADI 中國(guó)在線商城直接下單采購(gòu)。

篇幅有限，4開關(guān)降壓-升壓式轉(zhuǎn)換器的介紹及型號(hào)推薦，請(qǐng)下載解決方案《信號(hào)鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計(jì)所需的所有精度》查看完整文檔。

掃碼下載

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(yīng)用、整合且建立一個(gè)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(jìn)行分解和分析，確定電源方案合理性。

建立電源樹時(shí)需要確定系統(tǒng)的輸入電壓特點(diǎn)，固定輸入還是有較寬輸入范圍？需要確定系統(tǒng)信號(hào)鏈需要的電源特點(diǎn)，正電壓還是負(fù)電壓？電流的消耗多大？預(yù)期噪聲水平和在信號(hào)鏈中需要的最高精度等。

ADI提供設(shè)計(jì)工具Power CAD幫助使用者進(jìn)行假設(shè)分析和迭代設(shè)計(jì)，助力提供合理的電源方案。

解決方案《信號(hào)鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計(jì)所需的所有精度》中分享了2個(gè)案例研究，案例1研究了轉(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(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)，比如雖然降壓轉(zhuǎn)換器的效率會(huì)更高，但對(duì)于功耗只有幾毫安的應(yīng)用，效率差異不會(huì)轉(zhuǎn)化為很多熱量，LDO更為適宜。案例2中噪聲最受關(guān)注，因此必須使用LDO，同時(shí)又有升壓要求，故選用LDO和升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)最低輸出噪聲。但不足之處是此方案使用了3個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器和4個(gè)LDO。

……

完整的案例研究及分析，請(qǐng)掃碼下載解決方案《信號(hào)鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計(jì)所需的所有精度》進(jìn)行查看。

掃碼下載最新解決方案

【ADI信號(hào)鏈的電源管理選擇——保持設(shè)計(jì)所需的所有精度】