על מנת להבטיח דיוק גבוה, בדיקת דיוק ומערכות מדידה נדרשים פתרונות ספקי מתח עם רמות נמוכות של אדווה ורעש מוקרן כדי שלא יפגמו בביצועים של ממיר שרשרת האותות ברזולוציה גבוהה. אם מבחן זה ויישומי המדידה, יוצרים ספקי מערכת דו קוטביים ו\או מבודדים, זה מציב אתגר למהנדסי מערכות במונחים של שטח הלוח, אדווה מתחלפת, EMI, ויעילות. מערכות רכישת מידע, ורבי מודדים דיגיטלים זקוקים לספקי רעש נמוך על מנת לספק את הביצועים של ADC שרשרת אותות מבלי שיפגמו על ידי צלילי אדווה מלאכותיים מהחלפת ספקים. יחידות מדידת מקור ולספקי מקורות\מתח dc יש דרישות דומות לצמצום אדוות פלט מלאכותית ב- DAC שרשרת אותות. יש גם מגמה לכיוון ספירת ערוץ גבוהה בבדיקת דיוק ומכשירי מדידה לבדיקה מקבילה מוגברת. ביישומים מבודדים חשמלית, לכלים רבי הערוצים הללו, יש צורך לבידוד של ערוץ לערוץ היכן שיש ליצור את מתח על בסיס של כל ערוץ בנפרד. אלו הן פתרונות מניעים הדורשים טביעת רגל קטנה יותר ויותר של PCB בזמן שמשמרים את הביצועים. הטמעת פתרונות מתח ברע ברעש נמוך ביישומים אלו יכולים לנבוע באופן גדול יותר מטביעת רגל PCB הרצויה ו\או יעילות מתח משימוש מוגבר בוסתי LDO נתיכי מסנן.
לדוגמא, מסילת אספקת חשמל ממותגת עם אדווה של 5 mV ב- 1MHZ תזדקק ליחס דחייה משולב של ספקי חשמל (PSSR) של 60 dB או גדול יותר מוסת LDO ו- ADC ממונע כדי להפחית את אדוות ההחלפה הנראת בפלט ADC ל- 5 μV או פחות. זה יהיה שבריר מה- LSB עבור ADC 18-bit ברזולוציה גבוהה .
למרבה המזל ישנן רזולוציות המפשטות את המשימה הזאת דרך רמות גבוהות יותר של שילוב של פתרונות מתח עם מכשירי μModule® ורכיבים המספקים יעילות גדולה יותר בזמן שהם מפחיתים רעש מוקרן ואדוות החלפה כמו מכשיר ה- Silent Switcher® ווסתיי יחס דחיית ספקי מתח גבוה (PSSR) LDO.
איור 1: פתרון מתח למערכת אספקה דו קוטבית ללא בידוד (±15 V ו- ±5 V) עם אדוות אספקה נמוכה.
בדיקות דיוק רבות וכלי מדידה כמו יחידות מדידת מקור או ספקי מתח הדורשים ריבוי מרובע(multiquadrant) פעולה למקור ולמדידת האותות הן החיוביים והן השליליים. זה מצריך ייצור הן של ספקים חיוביים והן של שליליים מקלט של ספק חיובי בודד עם רעש נמוך ובאופן יעיל. הבא ונשקול מערכת הזקוקה הנעת ספק דו קוטבי מקלט של ספק בודד. איור 1 מראה פתרונות מתח המפיק ±15 V ו- ±5 V ומשתמש בווסתי LDO על מנת לסנן\להפחית את אדוות ההחלפה בנוסף להפיק מסילות נוספות כמו 5 V, 3.3 V, או 1.8 V להנעת אות מצב המעגל החשמלי או את ה- ADC וה- DAC.
פתרונות מסילת החשמל המוצגים כאן תוכננו על ידי שימוש במתכנן המערכת שנמצא – LTpowerCAD®. כלי התכנון ה- LTpowerCAD® הוא תוכנת כלי התכנון שלם של ספק כוח היכולה להקל באופן משמעותי את המשימות של תכנון ספק כח עם מספר רב של מוצרי כח.
ה- LTM8049 וה- ADP5070\ADP5071 מאפשרים לנו לקחת קלט חיובי אחד, ולהאיץ אותו לספק החיובי הנדרש, ולהמיר אותו כדי שיפיק את מסילת הספק השלילי. ה- LT8049 הוא פתרון μModule המפשט את מספר הרכיבים הנחוצים לעשות זאת-אנו רק צריכים להוסיף קבלי הקלט פלט. בנוסף לפשט את אתגר התכנון במונחים של בחירת רכיבים ומבנה הלוח לווסתי מיתוג, ה- LT8049 מקטין את טביעת הרגל של PCB ואת חשבון החומרים הנחוצים עבור יצירת ספקים דו קוטביים.היכן שנחוצה יעילות בהספקים קלים יותר (<~100 mA), ה- ADP5070/ADP5071 הוא בחירה טובה יותר. למרות שפתרון ה- ADP5070 זקוק לעוד רכיבים חיצוניים כמו סלילים ודיודות, זה מאפשר התאמה אישית נוספת של פתרון מתח. גם ה- ADP5070 וגם ה- LTM8049 יש סיכות סנכרון שבהן ניתן להשתמש כדי לסנכרן החלפת תדר עם השעון של ה- ADC כדי להמנע מהחלפת ה- FET הפנימי במהלך תקופות זמן רגישות עבור ה-ADC. היעילות הגדולה של הווסתים הללו בזרם גבוה של כ- 100 mA הופך אותם לאידיאלים לספקי מכשיר דיוק.
ה- LT3032 משלב גם וסתים שקטים LDO חיוביים ושליליים בחבילה בודדת עם טווח פעולה רחב. ה- LT3032 משלב שני וסתי LDO חיובים שקטים עם טווח פעולה רחב. גם וסתי ה- LDO מוגדרים כדי לפעול, זמינים באריזות LFCSP המפחיתות את טביעת רגל ה- PCB ומפשטות את עלות החומר, אם נדרשות רמות גבוהות יותר של PSSR מוסתי ה- LDO כדי להפחית את אדוות ההחלפה בטווח ה- MHZ, אז וסתי LDO כמו ה- LT3094\LT3045 צריכים להחשב. הבחירה של כמה PSSR נדרש בשלב ה- LDO יהיה תלוי ב- PSSR של הרכיב, כמו ה- ADC והkה- ב,י ברכיב אדוות ההחלפה ותוה- DAC, ומגברים שמונעים ממסילות הספק. באופן כללי, וסתי LDO עם PSSR גבוה יותר יעילים פחות בשל זרם שקט גבוה יותר.
CN0345 ו- CN0385 הם שתי דוגמאות לתכנון יחסי המטמיע את הפתרון הזה על ידי שימוש ב- ADP5070 . תיכנונים אלו הם להשגת נתוני דיוק רבי ערוצים על ידי שימוש ב- ADC דיוק כמו ה- 18-\20 ביט AD4003\AD4020. ב- CN0345 איור- 1. בתכנון יחס וסתי ה- LDO CN0385 החיוביים והשליליים (ADP7118 ו- ADP7182) נמצאים בשימוש אחרי ה- ADP5070 כדי לסנן את אדוות ההחלפה. דוגמא להנעת ADC דיוק 20 ביט דו קוטבי כמו ה- AD5791 עם ה- ADP5070 יכולים להמצא במדריך המשתמש להערכת הלוח כאן.
דוגמאות אלו מראות כיצד רמות גבוהות של ביצועי דיוק יכולות להשמר בזמן שמשתמשים בוסתי החלפה כמו ה- ADP5070 כדי ליצור ספקים דו קוטביים ביישומים כמו רכישת מידע וספקי\מקורות כוח דיוק.
ספקי כוח דו קוטביים מבודדים
כאשר בדיקת דיוק ומכשיר מדידה צריכים להיות מבודדים מטעמי בטיחות, זה מביא אתגרים באספקת יעילות כוח מספקת לאורך מחסום הבידוד. במכשירים רבי ערוצים מבודדים, בידוד של ערוץ לערוץ משמעותו פתרון כוח לכל ערוץ. צרכים אלו פתרון כוח קומפקטי היכול להעביר כוח ביעילות. תרשים 2 מציג פתרון לאספקת כוח מבודד עם מסילות דו קוטביות.
תרשים 2: פתרון כוח למערכת ספק דו קוטבית עם אדוות ספק נמוכה.
ה- ADuM3470 וה- LTM8067 מאפשרות לנו להעביר כוח מעבר למחסום הבידוד עד ל- ~400mA ביציאה פלט מבודדת של 5 V עם יעילות גבוהה. ה- LTM8067 הוא פתרון µModule המשלב את הממיר ורכיבים נוספים המפשטים את התכנון והמבנה של פתרון המתח המבודד בזמן שהוא מקטין את טביעת רגל ה- PCB ועלות החומרים. ה- LTM8067 מבודד עד ל- 2 kV rms. עבור אדוות פלט נמוכה יותר, ה- LTM8068 משלב וסת פלט LDO אשר מפחית את אדוות הפלט מ- 30 mV rms ל- 20 μV rms על חשבון זרם הקלט הנמוך של 300 mA.CN-
משפחת ה- ADuM3470 משתמשת בממיר חיצוני כדי להעביר מתח מבודד בזמן שהוא משלב גם ערוצי בידוד דיגיטלי להעברת נתונים ולשליטה של ADC ו- DAC. תלוי כיצד פתרון הבידוד מוגדר, קלט המתח המבודד יכול לבוא עם פתרון מתח הדומה לאיור 1, כפי שמוצג באיור 2 כדי להפיק מסילות של ±15 V על הצד המבודד מספק חיובי יחיד. לחילופין, תכנון ה- ADuM3470 יכול להיות מוגדר כדי להפיק ספקים דו קוטביים באופן ישיר ללא הצורך בשלב החלפה נוסף. התוצאה היא פתרון שטח PCB קטן יותר על חשבון יעילות. ה- ADuM3470 מבודד עד ל- 2.5 kV rms, אך משפחת ה- ADuM4470 יכולה לשמש לרמות גבוהות יותר של עוצמת בידוד עד ל- 5 Kv rms.
CN-3085 הוא דוגמא לתכנון יחסי המטמיע את פתרון ה- ADuM3470, כפי שמוצג בתרשים 2. ה- ADP5070 נמצא בשימוש בצד המבודד כדי להפיק מסילות דו קוטביות של ±16 V מ- 5.5 V מבודד. התכנון היחסי הזה עושה שימוש בערוצי הבידוד הדיגיטלים הכלולים גם ב- ADuM3470. תכנון דומה המשתמש ב- ADuM3470 הוא CN0393. זהו בנק של מערכת רכישת נתונים מבודדים המבוססת על ADC μModule ADAQ7980ADAQ7988\ . בתכנון זה, ה- μModule מוגדר עם ממיר חיצוני ומיישר גל מלא דיודת Schottky כדי להפיק ישירות ±16.5 V מבלי להצטרך לשלב של וסת נוסף. זה מאפשר לפתרון טביעת רגל קטנה על חשבון יעילות נמוכה יותר. פתרון דומה מוצג ב- CN-0292 שהוא פתרון לרכישת מידע עם 4- ערוצים המבוסס על AD7176 ∑-Δ ADC, ו- CN-0233, אשר מדגיש את אותו פתרון מתח מבודד של DAC 16 ביט דו קוטבי.
דוגמאות אלו מראות איך להעביר רמות של מתח מבודד לרמות דיוק של ביצוע ברכישת נתונים מבודדים או ספקי כוח מבודדים בזמן שמשמרים את טביעת רגל ה- PCB או רמות גבוהות של יעילות מתח.
ארכיטקטורת מתג שקט כדי לרדת ביעילות עם רעש חלש
בתרשים ספק הכוח המוצגת באיור 1, נעשה שימוש בוסת LDO כדי לרדת מ- 15 V ל- 5 V \ 3.3 V. זאת אינה דרך יעילה מאוד להנעת אותן מסילות בעוצמה נמוכה. פתרון לשיפור את יעילות הירידה לעוצמות נמוכות על ידי שימוש בוסת μModule LT8074 מתג שקט, המוצג באיור 3.
איור 3. פתרון מתח לירידה למסילות בעוצמות נמוכות עם EMI נמוך
ה- LTM8074 הוא וסת ירידה מתג שקט μModule, באריזת טביעת רגל BGA קטנה של 4 מ”מ x 4 מ”מ, המסוגלת לספק עד ל- 1.2 A עם רעש מוקרן נמוך. טכנולוגיית מתג שקט מבטלת שדות טועים הנוצרים על ידי זרם ההחלפה, ובכך, מפחיתים רעש מוליך או מוקרן. היעילות הגבוהה של מכשיר ה- μModule הזה הכולל רעש מוקרן נמוך הופך אותו לאפשרות מעולה להנעת שרשרת אותות דיוק הרגישה לרעשים. תלוי ב- PSSR של הרכיבים המחוברים לספק הקלט כמו מגברי ה- DAC או ADC, יתכן ויתאפשר להניע אותם ישירות מקלט המתג השקט מבלי להצטרך את וסת ה- LDO לסינון נוסף את אדוות הספק כפי שצריך במתגים מסורתיים. זרם הקלט הגבוה של 1.2 A משמעותו גם שניתן להשתמש בו כדי להניע את החומרה הדיגיטלית במערכת כמו FGPA במידה ויש צורך. טביעת הרגל הקטנה של ה- LTM8074 והרמה הגבוהה של האינטגרציה הופך אותו למתאים ביותר ליישומים מוגבלים בזמן שהוא מפשט ומאיץ את העיצוב והמבנה של ספק וסת החלפה.
במידה וצריך התאמה אישית גדולה יותר על חשבון שטח PCB, אז ניתן יהיה להשיג הטמעה בודדת של מכשיר מתג שקט על ידי שימוש במוצר כמו ה- LT8609S. מוצרים אלו כוללים מצב ספקטרום מתרחב כדי לפזר את אנרגית האדווה ואת תדר ההחלפה מעל לרצועת תדר. זה מפחית את האמפליטודה של צלילים מלאכותיים המופיעים במערכות דיוק מהספקים.
טכנולוגיית מתג שקט בשילוב עם רמות גבוהות של אינטגרציה נמצאו בפתרונות μModule פתרו את האתגר של הצפיפות המוגברת הנחוצה ליישומי דיוק, כמו יחידות מדידה מקור רב ערוצי, מבלי להתפשר על רמות רזולוציה גבוהות של ביצוע שמתכנני המערכת צריכים להשיג.
מסקנה
יצירת מערכות ספקי כוח עם בידוד לבדיקת דיוק אלקטרונית ומדידה יכול להיות אקט מאזן בין ביצועי המערכת, שמירה על טביעת רגל קטנה, ויעילות מתח. הראנו כאן פתרונות ומוצרים שעוזרים להתמודד עם האתגרים הללו ומאפשרות למתכנן המערכת לעשות את הפשרות המתאימות.
על המחבר
אלן וולש הוא מהנדס יישומי מערכות ב- Analog Devices. הוא הצטרף ל- ADI ב- 1999 והוא עובד בקבוצת מכשירי דיוק שנמצאת בווילמינגטון. הוא סיים את לימודיו אם תואר B.Eng. בהנדסת אלקטרוניקה מאוניברסיטת דבלין. ניתן להשיגו בכתובת המייל: alan.walsh@analog.com
