Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3

ghost666 06 Sty 2016 15:08 2130 1
  • W poprzednich częściach cyklu poświęconego systemom zasilania przetworników analogowo-cyfrowych (Link, Link) omawialiśmy kwestie związane z pomiarem PSRR i obliczaniem wymaganych parametrów zasilania, dla uzyskania konkretnych efektów - maksymalnej amplitudy zakłóceń pochodzących z zasilania w widmie FFT wyjściowym sygnału z przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). W dalszej części cyklu skupimy się na przetwornikach DC-DC, zasilających nasze ADC.

    W poniższym tekście omówione będą przetworniki DC-DC. Skupimy się na charakteryzacji poziomu szumu w napięciu wyjściowym z przetwornika. Z przetworników tego rodzaju zasilać będziemy sekcję cyfrową (DVDD) i analogową przetwornika (AVDD). Wiemy już jak poszczególne piny zasilające reagują na szum w napięciu zasilającym, musimy zrozumieć w jaki sposób generowany jest szum, którego chcemy uniknąć. Dzięki temu możliwe będzie zaprojektowanie odpowiedniego systemu zasilania, łączącego w sobie wydajność i niski poziom generowanego szumu.

    Wydajność przetworników DC-DC wynosić może nawet powyżej 95%, co czyni je niezwykle oszczędnymi rozwiązaniami w zasilaczu. Przetworniki tego rodzaju wytracają energię podczas pracy na dwa sposoby - statyczny i dynamiczny.

    Statyczne rozpraszanie mocy to energia związana z zasilaniem samego przetwornika i jego kontrolera. Prąd ten pobierany jest zawsze, niezależnie od tego ile pobierane jest z zasilacza.

    Dynamiczne rozpraszanie mocy związane jest z koniecznością wykorzystania pewnej energii do przetwarzania napięcia zasilającego. W konwerterach DC-DC na dynamiczne rozpraszanie mocy w układzie zasilającym składają się straty:

    * Podczas przełączania kluczy.
    * Podczas sterowania bramek tranzystorów polowych (MOSFET) - potrzebny jest pewien ładunek do ładowania bramki.
    * W tranzystorze MOSFET, z uwagi na jego niezerową rezystancję, nawet w stanie pełnego otwarcia.
    * Na indukcyjności filtrującej napięcie wyjściowe z układu (DC).

    Rysunek 1 pokazuje krzywą wydajności przykładowych przetworników DC-DC.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 1a: Wykres wydajności konwersji przetwornika DC-DC TPS62080.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3




    Rys. 1b: Wykres wydajności konwersji przetwornika DC-DC TPS62080.


    Analizując powyższe wykresy warto zwrócić uwagę na wydajność przy bardzo małych obciążeniach - drastycznie ona spada i bardzo często zdarzyć się może, że dla takich obciążeń wydajność konwertera DC-DC będzie istotnie gorsza niż stabilizator liniowego. Dlatego też tego typu zasilacze najlepiej sprawują się, gdy są optymalnie obciążone - pozwala to zagwarantować najwyższą wydajność układu. Dla zasilacza opartego o TPS54120 osiągnąć można powyżej 85% dla poboru prądu powyżej 500 mA, a dla TPS62080 powyżej 90%, jeśli pobieramy prąd w zakresie od 300 mA do 800 mA.

    Więcej miejsca w artykule, niż wydajności, poświęcimy jednak szumowi generowanemu przez zasilacze oparte o przetwornice DC-DC. Kwesta doboru przetwornika do zasilania danego układu, tak aby zmaksymalizować wydajność układu została omówiona już w wielu materiałach, dlatego skupmy się na kwestii najistotniejszej z punktu widzenia omawianego tematu - zasilania układów ADC - poziomowi generowanego szumu w liniach zasilających.

    W poniższej analizie, jako przykładowe elementy, wybierzemy dwa konwertery (zaprezentowane powyżej): TPS54120 i TPS62080. Pierwszy z nich pracuje przy częstotliwości przełączania równej 480 kHz, a drugi przy częstotliwości 1,5 MHz. TPS54120 wyposażony jest w dwa wyjścia - jedno z przetwornicy DC-DC a drugie z liniowego stabilizatora LDO. TPS62080 to klasyczny stabilizator impulsowy typu step-down o maksymalnym prądzie wyjściowym równym 1,2 A. Maksymalny prąd wyjściowy TPS54120 jest zależny od architektury układu i wykorzystanego wyjścia (wyjść).

    Układ TPS4120 to niezwykle uniwersalny system zasilający. W niewielkiej obudowie integruje on przetwornicę impulsową oraz liniowy stabilizator LDO. Na rysunku 2 zaprezentowano efektywne sposoby wykorzystania tych układów pracujących wspólnie, w kaskadzie (wtedy LDO filtruje zakłócenia z przetwornicy) lub równolegle (wtedy układ stabilizuje dwa napięcia zasilające).

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    (A) {12 V do 1,8 V przy 1A; wydajność ≈ 70%}
    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    (B) {2,3 V do 1,2V przy 3 A; wydajność (DC-DC) ≈ 83%}
    {2,3 V do 1,8 V przy 1 A; wydajność (LDO) = 78,3%}

    Rys. 2: (a) Wydajny stabilizator liniowy LDO; (b) Zoptymalizowany zasilacz z dwoma napięciami.


    Bez obciążenia napięcie wyjściowe z TPS54120 wykazuje tętnienie na poziomie 600 µVpp, jak pokazano na rysunku 3 (przebieg napięcia w czasie).

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 3: Oscylogram napięcia wyjściowego z nieobciążonej przetwornicy DC-DC TPS54120.


    Na rysunku 4 przedstawiono widmo (wynik transformaty Fouriera) oscylogramu z rysunku 3.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 4: Widmo napięcia wyjściowego (FFT oscylogramu) z nieobciążonej przetwornicy DC-DC TPS54120.


    TPS62080 pracuje przy częstotliwości przełączania klucza 1,5 MHz. Jest to przetwornica typu step-down o maksymalnym prądzie wyjściowym równym 1,2 A. Rysunek 5 pokazuje w funkcji czasu jak zachowuje się napięcie wyjściowe z nieobciążonej przetwornicy - tętnienia są na poziomie 8 mVpp. Widmo FFT napięcia wyjściowego, pokazane na rysunku 6 wykazuje podobny charakter, jak dla przetwornicy TPS54120.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 5: Napięcie wyjściowe z nieobciążonej przetwornicy TPS62080 w funkcji czasu.


    Na podstawie powyższego oscylogramu wyznaczono widmo napięcia wyjściowego (korzystając z FFT):

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 6: Widmo napięcia wyjściowego z nieobciążonej przetwornicy TPS62080.


    Na widmach pokazanych na rysunkach 4 i 6 widoczne są składowe napięcia zasilającego, które będą próbowały zakłócać tor sygnałowy w przetworniku ADC, który będzie zasilany poprzez te układy. Nie są to najlepsze konwertery DC-DC dostępne na rynku, ale scharakteryzują się one przyzwoitą wydajnością i działaniem dla obciążenia około 200 mA (tyle pobiera nasz przykładowy układ ADC3444). Pamiętać należy oczywiście, że pobór prądu w systemie będzie większy - nie tylko ADC pobierać będzie napięcie z zasilacza. Rysunek 7 pokazuje jak zmienia się widmo napięcia wyjściowego z TPS54120 dla różnych obciążeń przetwornicy DC-DC.

    Na wykresie tym zauważyć można, że pogarsza się jakość napięcia zasilającego wraz z zwiększającym się poborem prądu z układu - zwiększa się amplituda podstawowej i harmonicznych częstotliwości pochodzących od szumu kluczowania tranzystorów wyjściowych konwertera. Dodatkowo, jeśli obciążenie przetwornicy będzie zmienne, możemy mieć do czynienia z modulacją napięcia szumu w napięciu zasilającym przez ten sygnał.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 7: Widmo FFT napięcia wyjściowego z przetwornicy TPS54120 dla różnych obciążeń.


    Przetworniki TPS54120 i TPS62080 zostały wybrane z uwagi na dostępność na rynku i możliwość przetestowania badanego konwertera - ADC3444 - z dwoma odmiennymi częstotliwościami przełączania przetwornic: 480 kHz i 1,5 MHz.

    W poprzedniej części wyznaczyliśmy, że maksymalne napięcie szumów w linii zasilania sekcji cyfrowej układu ADC3444 DVDD nie może przekraczać 15 mVpp. Takie napięcie szumów zagwarantuje, że zakłócenia w sygnale nie przekroczą -95 dBFS na widmie.

    Ewaluacja działania układu oparta jest o topologię zaprezentowaną na rysunku 8. Na schemacie, jak łatwo zauważyć, źródłem zasilania jest bateria. W ten sposób wyeliminowano tętnienia i szumu w zasilaniu, jako że zasilanie bateryjne gwarantuje wolne od tych zakłóceń napięcie. Do pinu DVDD natomiast podłączono badaną przetwornicę bez żadnych dodatkowych układów filtrujących napięcie poza czterema kondensatorami 220 nF, podłączonymi przy pinach zasilających. Z kolei zasilanie dla sekcji analogowej (AVDD) konwertera ADC stabilizowane jest poprzez liniowy stabilizator LDO, aby zapewnić odpowiednie napięcie z baterii przy jednoczesnym braku szumów zasilania i tętnień. Tak jak napisano wcześniej oba źródła zasilania - LDO i Przetwornica DC-DC zasilane są z baterii.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 8: Testowanie sekcji zasilania cyfrowego DVDD układu ADC3444 (warto zwrócić uwagę, że nie zastosowano nawet koralika ferrytowego do filtrowania zasilania).


    Widmo FFT sygnału wyjściowego z ADC dla przetwornicy TPS54120 pokazane jest poniżej na rysunku 9.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3 Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 9: (a) widmo odniesienia dla ADC3444; (b) widmo dla ADC3444 z TPS54120 podłączonym do zasilania DVDD.


    Powyższe widmo potwierdza nasze obliczenia z poprzedniej części cyklu. Zakłócenia z przetwornicy mają nie więcej niż 600 µVpp, przez co żadne zakłócenia z zasilania nie są widoczne w układzie powyżej -95 dBFS. Pamiętać jednak należy, że napięcie zasilające DVDD zasila także wewnętrzny układ zegarowy, taktujący układ próbkujący. Konwolucja zegara (a raczej jego szumu fazowego) z szumem pochodzącym z zasilania powoduje powstanie szumu obserwowanego w widmie wyjściowym sygnału z ADC w zakresie od 200 kHz do około 1 MHz. Jakkolwiek nie pokazano tego na wykresie, to przy częstotliwości 19,8 MHz nie zaobserwowano żadnych zakłóceń, jak można by się spodziewać na podstawie krzywych PSRR ADC3444.

    Analogiczne pomiary wykonano dla sekcji analogowej (AVDD). Na rysunku 10 widać schemat blokowy wykorzystanego w tym przypadku układu pomiarowego. Wyniki pomiaru zaprezentowano na rysunku 11. Bateria poprzez stabilizator TPS7A47 zasila sekcję cyfrową - DVDD - a poprzez przetwornicę DC-DC (zasilaną także z baterii) sekcję analogową - AVDD.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 10: Architektura wykorzystana do pomiarów wpływu jakości zasilania na sekcję analogową (AVDD).


    Znając amplitudę i lokalizację spektralną zakłóceń w napięciu zasilającym, możemy zaobserwować, że PSRR nie jest dostatecznie duże dla pinów zasilających AVDD, co oznacza, że aby sprostać przyjętym założeniom dla naszego systemu, musimy najpierw odfiltrować szumy przełączania kluczy w przetwornicy.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3 Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3 Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3 Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 11: (a) oraz (c) widma odniesienia dla ADC3444; (b) ADC3444 DC-FFT z układem TPS54120 zasilającym AVDD; (d) ADC3444 FFT z układem TPS54120 zasilającym AVDD (przybliżenie wokół częstotliwości wejściowej ADC).


    Na widmach odniesienia ADC3444 zasilany jest - na pinach AVDD i DVDD - z tej samej 6 V baterii, ale wykorzystując niezależne, niskoszumne LDO - w tym przypadku TPS7A47. Analizując dane zaprezentowane na wykresach łatwo zobaczyć niewielkie zakłócenia widoczne w widmie. Jest to winą głównie niskiego obciążenia przetwornicy DC-DC. Maksymalny prąd wyjściowy wykorzystanego układu to 3 A, a przy prezentowanych pomiarach wynosił on zaledwie 40 mA. Obserwuje się także piki szumu na 19,8 MHz, pochodzące z upkonwersji szumu i częstotliwości pracy ADC. Widoczne na rysunku 12 piki w tej lokalizacji mają około -102 dBFS, ale widoczne są powyżej poziomu szumu w układzie. Mechanizm generacji tych szpilek i ich lokalizacja omówione były w pierwszej części artykułu.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 3
    Rys. 12: Lokalizacja pików szumu na widmie FFT sygnału przetwornika ADC.


    Gdy zwiększymy obciążenie przetwornicy DC-DC to wzrośnie moc szumu w napięciu zasilającym, jak pokazano wcześniej na rysunku 7. Oznacza to, że konieczne jest dodanie dodatkowych układów filtrujących zasilanie, aby pozbyć się szumu z napięcia zasilającego do zadowalającego poziomu. Dodatkowo pamiętać trzeba, że szum charakteryzowany jest, generalnie, w temperaturze pokojowej i nie uwzględnia wariacji tej wartości w funkcji temperatury w jakie pracować będzie układ, do jakiej rozgrzeją się jego elementy etc.

    Podsumowując dotychczasowe artykuły - udało się opisać jak mierzyć i ewaluować współczynnik PSRR w układach ADC w funkcji częstotliwości oraz zrozumieć w jaki sposób nieodpowiedni system zasilania może degradować jakość toru sygnałowego w układzie akwizycji danych. W kolejnych częściach niniejszego cyklu postaramy się zrozumieć jak filtrować napięcie zasilające dla układów ADC, aby odfiltrować zakłócenia z napięcia i być w stanie opracować gotowe rozwiązanie zasilania układów ADC (i DAC) - od pomiarów własności przetworników, poprzez analizę zakłóceń, a na projekcie odpowiedniego układu zasilającego skończywszy.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/03/03/measuring-noise-requirements-for-adc-power-supplies


    Fajne!
  • #2 06 Sty 2016 17:02
    winio42
    Poziom 18  

    Już się bałem, że nie będzie dalszego ciągu :)
    Dzięki za pracę, którą w to wkładasz!
    Szkoda, że nie opisano tutaj pomiarów dla bardzo małych prądów (rzędu 1mA), wspomniano tylko, że spada wydajność. Czy można założyć, że przebiegi będą jak dla przetwornicy nieobciążonej?