为了确保高精度，精密测试和测量系统需要具有低纹波和辐射噪声的电源解决方案，从而不会降低高分辨率转换器信号链的性能。在这些测试和测量应用中，生成双极和/或隔离系统电源给系统设计人员带来了电路板面积、开关纹波、emi和效率方面的挑战。数据采集系统和数字万用表需要低噪声电源，以便提供高分辨率adc信号链的性能，而不被开关电源产生的纹波噪声所影响。源表（smu）和直流源/电源具有类似的要求，以便将高分辨率dac信号链上的杂散输出纹波降至最低。精密测试和测量仪器中的通道数也有增加的趋势，以便增加并行测试。在电隔离应用中，这些多通道仪器日益需要通道间隔离，其中电源必须在各通道上产生。此驱动解决方案需要的pcb尺寸越来越小，同时保持性能。在这些应用中实施低噪声电源解决方案可能导致pcb尺寸比期望的大，和/或由于过度使用ldo稳压器或滤波器电路而导致效率变差。
例如，在1 mhz下5 mv纹波的开关电源轨需要通过ldo稳压器和adc供电特性的组合来实现60 db或以上的电源电压抑制比(psrr)，从而将adc输出端的开关纹波减少到5 μv或更低。对于18位的高分辨率adc，这只是lsb的一个零头（从而不会对lsb产生影响）。
幸运的是，可以通过μmodule器件和相关元件搭建集成度更高的电源解决方案来简化这项任务。例如silent switcher器件和高电源电压抑制比(psrr) 的ldo稳压器，这些解决方案在降低辐射噪声和开关纹波的同时实现了更高的效率。
图1.具有低电源纹波的非隔离双极性电源系统（±15 v和±5 v）的电源解决方案。
许多精密测试和测量仪器（如源表或电源）需要进行多象限操作，以获取并测量正负信号。这就需要从单个具有低噪声的正电源输入有效地生成正负电源。让我们以需要从单个正输入电源生成双极性电源的系统为例。图1显示的电源解决方案可产生±15 v和±5 v并使用正负ldo稳压器过滤/减少开关纹波，以及生成5 v、3.3 v或1.8 v等其他电源轨，为信号调理电路或adc和dac供电。
此处所示的电源轨解决方案使用ltpowercad中的系统设计工具设计。ltpowercad设计工具是一款完整的电源设计工具程序，可使用显著简化许多电源产品的电源设计任务。
ltm8049和adp5070/adp5071允许我们采用单个正输入，将其提升为所需的正电源和反转生成负电源。ltm8049是μmodule解决方案，可显著简化所需的元件数——只需添加输入和输出电容。除了简化为开关稳压器选择元件和电路板布局方面的设计挑战，ltm8049还可最大限度地减少生成双极性电源所需的pcb尺寸和物料。要在更轻负载(<~100 ma)下提供高效率，adp5070/adp5071是更好的选择。尽管adp5070解决方案需要更多的外部元件，例如电感和二极管，但它允许对电源解决方案进行更多的定制。adp5070和ltm8049都具有同步引脚，可用于同步开关频率和adc的时钟以避免在adc的敏感期切换内部fet。这些稳压器在负载电流为数百ma时的高效率使其成为精密仪器电源的理想之选。
lt3032在单个封装中集成了正负电压低噪声且具备宽工作范围的ldo稳压器。lt3023集成了两个低噪声、正电压ldo且具备宽工作范围的稳压器。两个ldo稳压器都配置为以最小压降(~0.5 v)操作以实现最高效率，同时提供良好的开关电源的纹波抑制。两个ldo稳压器都采用小型lfcsp封装，可减少pcb尺寸和简化物料清单。如果ldo稳压器需要更高的psrr来进一步减少mhz范围内的开关纹波，则应考虑lt3094/lt3045等ldo稳压器。选择ldo级中所需要的psrr将取决于用电源轨供电的adc、dac和放大器等元件的psrr。一般而言，由于静态电流较高，psrr越高，ldo稳压器的效率越低。
cn-0345和cn-0385是两个通过使用adp5070实施此解决方案的参考设计示例。这些设计用于使用精密adc（如18/20位ad4003/ad4020）进行精密多通道数据采集。在cn-0345中，lc储能电路用于从adp5070过滤开关纹波，代替使用ldo稳压器，如图1所示。在参考设计cn-0385中，在adp5070后面使用正负电压ldo稳压器（adp7118和adp7182）过滤开关纹波。使用adp5070对ad5791等双极性20位精密dac供电的示例可在此处的评估板用户指南中找到。
这些示例说明在使用adp5070等开关稳压器在数据采集和精密供电/源等应用中生成双极性电源时，如何保持高精密性能。
隔离双极性电源
出于安全原因需要隔离精密测试和测量仪器时，通过隔离器件有效的提供充足供电将是一个挑战。在多通道隔离仪器中，通道间隔离意味着每个通道都要有一个电源解决方案。这就需要一个紧凑的电源解决可以提供有效的供电。图2显示使用双极性供电轨提供隔离电源的解决方案。
图2.具有低电源纹波的隔离双极性电源系统的电源解决方案。
adum3470和ltm8067使我们能够跨越隔离在5 v隔离输出端高效提供达~400 ma的电源。ltm8067是module解决方案，集成了变压器和其他简化隔离电源解决方案设计和布局的元件，同时最大限度地减少了pcb尺寸和物料清单。ltm8067隔离高达2 kv rms。为了获得更低的输出纹波，ltm8068集成了输出ldo稳压器，以300 ma的更低输出电流为代价，将输出纹波从30 mv rms减少到20 μv rms。
adum3470系列使用外部变压器提供隔离电源，同时集成数字隔离通道用于对adc和dac进行数据传输和控制。根据隔离解决方案的配置方式，隔离电源输出可以沿用类似图1的电源解决方案，如图2所示从单个正电源在隔离侧生成±15 v电源轨。或者，adum3470设计也可配置为直接生成双极电源，无需额外开关级。这就以效率为代价获得更小的pcb面积解决方案。adum3470可隔离高达2.5 kv rms，而adum4470系列可用于高达5 kv rms的更高电平的电压隔离。
cn-0385是实施adum3470解决方案的参考设计示例，如图2所示。adp5070在隔离侧用于从隔离的5.5 v生成双极性±16 v电源轨。adum3470中也包括此参考设计使用的数字隔离通道。使用adum3470的类似设计为cn-0393。这是基于adaq7980/adaq7988 μmodule adc的多通道隔离数据采集系统。 在此设计中，adum3470配置有外部变压器和肖特基二极管全波整流器以直接生成±16.5 v电压，无需额外稳压器级。这允许以降低效率为代价获得空间较小的解决方案。类似解决方案如cn-0292中所示，这是一个基于ad7176 ∑-δ adc的4通道数据采集解决方案，以及如cn-0233中所示，其中突出显示了16位双极性dac的相同隔离电源解决方案。
这些示例显示如何提供隔离电源，以实现隔离数据采集或隔离电源的精密性能，同时保持较小的pcb尺寸或高电源效率。
有效降压和低噪声的silent switcher架构
在图1所示的电源方案中，ldo稳压器用于从15 v电压降至5 v/3.3 v电压。这并非是生成这些低电压轨非常有效的方式。使用silent switcher、μmodule稳压器ltm8074提高降至更低电压的高效率解决方案如图3所示。
图3.在低emi的情况下将电压降至更低电压轨的电源解决方案。
ltm8074是采用小型4 mm × 4 mm尺寸bga封装的silent switcher、module降压稳压器，能够以低辐射噪声提供高达1.2 a电流。silent switcher技术可以抵消开关电流产生的杂散场，由此减少传导和辐射噪声。此module设备效率高且具有极低的辐射噪声，因此是为噪声敏感精密信号链供电的绝佳选择。根据连接到放大器、dac或adc等由电源供电元件的psrr，也许可以从silent switcher输出端直接为其供电，无需ldo稳压器进一步过滤电源纹波，而传统开关需要这样做。1.2 a的高输出电流也意味着在需要的情况下，它可用于为fpga等系统中的数字硬件供电。ltm8074的小尺寸和高集成度使其非常适合空间受限应用，同时简化并加速开关稳压器电源的设计和布局。
如果需要牺牲pcb面积进行更多定制，则可使用lt8609s等产品实现silent switcher设备的分立实施。这些产品包括展频模式，可在开关频率下在频段上扩散纹波能量。这可降低精密系统电源中出现的杂散的幅度。
将silent switcher技术与μmodule解决方案中的高集成度相结合，可应对精密应用（如多通道源表）对密度不断增长的需求的挑战，而不会影响系统设计人员需要实现的高分辨率性能水平。
结论
为精密电子测试和测量供电的隔离双极性电源系统需要在系统性能、保持小尺寸和电源效率之间实现平衡。我们在这里展示了一些解决方案和产品，可帮助应对这些挑战，并允许系统设计人员做出正确的权衡。
