Soluciones de potencia bipolar para sistemas de prueba y medición de precisión

Para garantizar una alta precisión, los sistemas de prueba y medición de precisión requieren soluciones de alimentación con bajos niveles de ondulación y ruido radiado para no degradar el rendimiento de las cadenas de señales de los convertidores de alta resolución. En estas aplicaciones de prueba y medición, la generación de fuentes de alimentación bipolares y/o aisladas es un reto para los diseñadores de sistemas en términos de área de la placa, ondulación de la conmutación, EMI y eficiencia. Los sistemas de adquisición de datos y los multímetros digitales requieren fuentes de alimentación de bajo ruido para proporcionar el rendimiento de las cadenas de señales ADC de alta resolución sin que se corrompan por las ondas parásitas de las fuentes de alimentación conmutadas. Las unidades de medición de la fuente y las fuentes de corriente continua/alimentación tienen requisitos similares para minimizar la ondulación espuria de la salida en las cadenas de señales DAC de alta resolución. También hay una tendencia a aumentar el número de canales en los instrumentos de prueba y medición de precisión para aumentar las pruebas en paralelo. En las aplicaciones aisladas eléctricamente, estos instrumentos multicanal tienen una necesidad creciente de aislamiento canal a canal, donde la potencia debe generarse por canal. Esto lleva a soluciones que requieren una huella de PCB cada vez más pequeña, manteniendo el rendimiento. La implementación de soluciones de potencia de bajo ruido en estas aplicaciones puede dar lugar a huellas de PCB más grandes de lo deseado y/o a una baja eficiencia energética debido al uso excesivo de reguladores LDO o circuitos de filtrado.

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Por ejemplo, una barra de alimentación conmutada con una ondulación de 5 mV a 1 MHz necesitaría una relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) combinada de 60 dB o más de un regulador LDO y un ADC alimentado para reducir la ondulación de conmutación vista en la salida del ADC a 5 μV o menos. Esto sería una fracción de un LSB para un ADC de alta resolución de 18 bits.

Afortunadamente, existen soluciones que simplifican esta tarea mediante niveles superiores de integración de soluciones de energía con μModule® dispositivos y componentes que ofrecen una mayor eficiencia al tiempo que reducen el ruido radiado y la ondulación de conmutación, como el Conmutador Silencioso® y reguladores LDO con una alta relación de retroalimentación (PSRR).

Muchos instrumentos de prueba y medición de precisión, como las unidades de medición de fuentes o las fuentes de alimentación, requieren un funcionamiento multicuadrante para poder obtener y medir señales positivas y negativas. Para ello es necesario generar fuentes de alimentación negativas y positivas a partir de una única entrada de alimentación positiva con poco ruido y de forma eficiente. Considera un sistema que requiere la generación de una alimentación bipolar a partir de una única alimentación de entrada positiva. La figura 1 muestra soluciones de alimentación que generan ±15 V y ±5 V y utilizan reguladores LDO positivos y negativos para filtrar/reducir la ondulación de la conmutación, así como para generar carriles adicionales como 5 V, 3,3 V o 1,8 V para alimentar los circuitos de acondicionamiento de señales o los ADC y DAC.

Figura 1: Solución de alimentación para un sistema de alimentación bipolar no aislado (±15 V y ±5 V) con bajo rizado de alimentación.

Las soluciones de raíles de alimentación que se presentan aquí se diseñaron utilizando el diseñador de sistemas que se encuentra en LTpowerCAD®. El LTpowerCAD® es un completo programa de herramientas de diseño de fuentes de alimentación que puede facilitar enormemente las tareas de diseño de fuentes de alimentación con muchos productos de alimentación.

El LTM8049 y el ADP5070/ADP5071 nos permiten tomar una única entrada positiva, potenciarla hasta la alimentación positiva necesaria e invertirla para generar el raíl de alimentación negativo. El LTM8049 es una solución μModule que simplifica enormemente el número de componentes necesarios para conseguirlo: sólo hay que añadir los condensadores de entrada y salida. Además de simplificar el reto de diseño en cuanto a la selección de componentes y la disposición de la placa para los reguladores de conmutación, el LTM8049 también minimiza el espacio de la placa de circuito impreso y la lista de materiales necesarios para generar fuentes de alimentación bipolares. Cuando se requiere eficiencia con cargas más ligeras (<~100 mA), el ADP5070/ADP5071 es una mejor opción. Aunque la solución ADP5070 requiere más componentes externos, como inductores y diodos, permite una mayor personalización de la solución de potencia. Tanto el ADP5070 como el LTM8049 tienen pines de sincronización que pueden utilizarse para sincronizar la frecuencia de conmutación con el reloj de un ADC, para evitar la conmutación de los FET internos durante los periodos sensibles para un ADC. El alto rendimiento de estos reguladores con una corriente de carga de unos 100 mA los hace ideales para fuentes de alimentación de instrumentos de precisión.

El LT3032 integra un regulador LDO positivo y negativo de bajo ruido en un solo paquete con un amplio rango de funcionamiento. El LT3023 incorpora dos reguladores LDO positivos de bajo ruido con un amplio rango de funcionamiento. Ambos reguladores LDO están configurados para funcionar con un margen mínimo (~0,5 V) para maximizar la eficiencia, al tiempo que proporcionan un buen rechazo al rizado de la etapa del regulador de conmutación. Ambos reguladores LDO están disponibles en pequeños paquetes LFCSP que reducen la huella de la placa de circuito impreso y simplifican la lista de materiales. Si se necesitan niveles mucho más altos de PSRR para que el regulador LDO reduzca aún más la ondulación de la conmutación en el rango de los MHz, habrá que considerar los reguladores LDO como el LT3094/LT3045. La elección de la cantidad de PSRR necesaria en la etapa LDO dependerá de la PSR de los componentes, como los ADC, los DAC y los amplificadores que se alimentan de los raíles de alimentación. En general, los reguladores LDO con una PSRR alta son menos eficientes debido a una mayor corriente de reposo.

CN-0345 y CN-0385 son dos ejemplos de diseños de referencia que implementan esta solución utilizando el ADP5070. Estos diseños están pensados para la adquisición de datos multicanal de precisión utilizando ADCs de precisión como el AD4003/AD4020 de 18/20 bits. En el diseño CN-0345, se utiliza un circuito tanque LC para filtrar la ondulación de conmutación del ADP5070 en lugar de utilizar un regulador LDO, como se muestra en la Figura 1. En el diseño de referencia CN-0385, se utilizan reguladores LDO positivos y negativos (ADP7118 y ADP7182) después del ADP5070 para filtrar la ondulación de conmutación. Puedes encontrar un ejemplo de alimentación de un DAC de precisión bipolar de 20 bits como el AD5791 con el ADP5070 en la guía del usuario de la placa de evaluación aquí.

Estos ejemplos muestran cómo se pueden mantener altos niveles de rendimiento de precisión utilizando reguladores de conmutación como el ADP5070 para generar fuentes de alimentación bipolares en aplicaciones como la adquisición de datos y las fuentes de alimentación de precisión.

Fuentes de alimentación bipolares aisladas

Cuando hay que aislar un instrumento de prueba y medición de precisión por razones de seguridad, esto conlleva dificultades para suministrar eficazmente suficiente energía a través de la barrera de aislamiento. En los instrumentos aislados multicanal, el aislamiento de canal a canal significa una solución de potencia por canal. Esto requiere una solución de alimentación compacta que pueda suministrar energía de forma eficiente. La figura 2 muestra una solución para proporcionar una fuente de alimentación aislada con carriles bipolares.

Figura 2. Solución de potencia para un sistema de alimentación bipolar aislado con bajo rizado de alimentación.

El ADuM3470 y el LTM8067 nos permiten suministrar energía por encima de la barrera de aislamiento hasta ~400 mA a una salida aislada de 5 V con alta eficiencia. El LTM8067 es una solución en forma de µmódulo que integra el transformador y otros componentes que simplifican el diseño y la disposición de la solución de potencia aislada, a la vez que minimizan la huella de la PCB y la lista de materiales. El LTM8067 aísla hasta 2 kV rms. Para un rizado de salida aún más bajo, el LTM8068 incorpora un regulador LDO de salida que reduce el rizado de salida de 30 mV rms a 20 μV rms a expensas de la corriente de salida inferior de 300 mA.

La familia ADuM3470 utiliza un transformador externo para proporcionar una fuente de alimentación aislada, a la vez que incorpora canales de aislamiento digital para la transferencia de datos y el control de ADC y DAC. Dependiendo de cómo se configure la solución de aislamiento, la salida de potencia aislada puede ir seguida de una solución de alimentación similar a la de la Figura 1, como se muestra en la Figura 2, para generar carriles de ±15 V en el lado aislado a partir de una única alimentación positiva. Como alternativa, el diseño del ADuM3470 puede configurarse para generar suministros bipolares directamente sin necesidad de una etapa de conmutación adicional. Esta solución reduce la superficie de la placa de circuito impreso, pero a costa de la eficiencia. El ADuM3470 aísla hasta 2,5 kV rms, pero la familia ADuM4470 puede utilizarse para niveles de aislamiento de tensión más altos, hasta 5 kV rms.

CN-0385 es un ejemplo de diseño de referencia que implementa la solución ADuM3470, como se muestra en la Figura 2. El ADP5070 se utiliza en el lado aislado para generar los carriles bipolares de ±16 V a partir de 5,5 V aislados. Este diseño de referencia utiliza los canales digitales aislados que también incluye el ADuM3470. Un diseño similar que utiliza el ADuM3470 es el CN-0393. Se trata de un sistema de adquisición de datos aislado del banco, basado en el módulo ADC ADAQ7980/ADAQ7988. En este diseño, el ADuM3470 está configurado con un transformador externo y un rectificador de diodos Schottky de onda completa para generar directamente ±16,5 V sin necesidad de una etapa reguladora adicional. Esto proporciona una solución de ahorro de espacio a costa de una menor eficiencia. Una solución similar se presenta en CN-0292, que es una solución de adquisición de datos de 4 canales basada en el DAC AD7176 Σ-Δ, y en CN-0233, que destaca la misma solución de alimentación aislada de un DAC bipolar de 16 bits.

Estos ejemplos muestran cómo proporcionar una fuente de alimentación aislada para obtener niveles de rendimiento de precisión en la adquisición de datos aislados o en las fuentes de alimentación aisladas, a la vez que se mantiene un espacio reducido en la placa de circuito impreso o altos niveles de eficiencia energética.

Arquitectura de conmutación silenciosa para una reducción eficiente de la tensión con poco ruido

En el esquema de alimentación mostrado en la Figura 1, se utiliza un regulador LDO para bajar de 15 V a 5 V/3,3 V. Esta no es una forma muy eficiente de generar estos raíles de baja tensión. En la Figura 3 se muestra una solución para mejorar la eficiencia de la caída a tensiones más bajas utilizando el regulador Silent Switcher, μModule LTM8074.

Figura 3: Solución de alimentación para cambiar a carriles de menor tensión con baja EMI.

El LTM8074 es un regulador reductor Silent Switcher, µModule, en un pequeño encapsulado BGA de 4 mm × 4 mm, capaz de suministrar hasta 1,2 A con bajo ruido radiado. La tecnología del Conmutador Silencioso anula los campos parásitos generados por las corrientes de conmutación, reduciendo el ruido conducido y radiado. La alta eficiencia de este dispositivo µModule con su muy bajo ruido radiado lo convierte en una excelente opción para alimentar cadenas de señales de precisión sensibles al ruido. Dependiendo de la PSRR de los componentes conectados a la fuente de alimentación de salida, como amplificadores, DAC o ADC, puede ser posible alimentarlos directamente desde la salida del Conmutador Silencioso sin necesidad de un regulador LDO que filtre aún más el rizado de la fuente de alimentación, como ocurre con los conmutadores tradicionales. Su elevada corriente de salida de 1,2 A también significa que podría utilizarse para alimentar hardware de sistemas digitales, como una FPGA, si fuera necesario. El pequeño tamaño del LTM8074 y su alto nivel de integración lo convierten en una solución ideal para aplicaciones con limitaciones de espacio, a la vez que simplifica y acelera el diseño y la disposición de una fuente de alimentación con regulador de conmutación.

Si se necesita una mayor personalización a costa de la superficie de la placa de circuito impreso, se puede conseguir una implementación discreta de un dispositivo de conmutación silenciosa utilizando un producto como el LT8609S. Estos productos incorporan un modo de espectro ensanchado para repartir la energía de ondulación en la frecuencia de conmutación en una banda de frecuencias. Esto reduce la amplitud de los tonos espurios que aparecen en un sistema de precisión procedentes de las fuentes de alimentación.

La tecnología del Conmutador Silencioso, combinada con los altos niveles de integración de las soluciones μModule, resuelve el reto de aumentar los requisitos de densidad para las aplicaciones de precisión, como las unidades de medición de fuentes multicanal, sin comprometer los niveles de rendimiento de alta resolución que los diseñadores de sistemas necesitan alcanzar.

Conclusión

Generar sistemas de alimentación bipolares con aislamiento para pruebas y mediciones electrónicas de precisión puede ser un acto de equilibrio entre el rendimiento del sistema, el mantenimiento de un espacio reducido y la eficiencia energética. Aquí hemos presentado soluciones y productos que ayudan a afrontar estos retos y permiten al diseñador del sistema hacer las compensaciones adecuadas.

Ссылки

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