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 5

ghost666 23 Sty 2016 15:06 1695 0
  • W poprzednich częściach cyklu (część 1, część 2, część 3) omawialiśmy kwestie związane z współczynnikiem odrzucenia wpływu zasilania (PSRR) - jego pomiarem i wpływem na działanie systemu. Zajmowaliśmy się także oraz obliczaniem minimalnych parametrów zasilania, dla zadanej maksymalnej amplitudy zakłóceń pochodzących z zasilania w widmie FFT wyjściowym sygnału z przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).

    W czwartej części wyznaczaliśmy SNR toru analogowo-cyfrowego dla zadanego PSRR przetwornika ADC i poziomu szumu pochodzącego z przetwornicy DC-DC go zasilającej. W tej części artykułu omówimy jak wykorzystać wiedzę zawartą w poprzedniej części do stworzenia realnej fizycznej aplikacji, zoptymalizowanej nie tylko pod kątem toru sygnałowego, ale także wielkości na PCB i kosztu elementów.

    Projektowanie systemu zasilającego omawiać będziemy na przykładzie znanego już nam przetwornika - ADC3444. Charakteryzuje się on stosunkiem sygnału do szumu (SNR) równym -73,9 dB. Do projektowania zakładamy, że SNR nie może pogorszyć się - z winy układu zasilającego - o więcej niż 0,1 dB (czyli 20 µVRMS), więc maksymalny poziom szumu w linii zasilającej nie może przekraczać 5 µVRMS.

    Zasilanie dla przetwornika finalnie stabilizowane będzie na stabilizatorze liniowym LDO, w poniższej tabeli znajdują się rozważane przez nas elementy:







    UkładSzum RMS w pasmie 10 Hz - 100 kHz [µV]Zakres napięć wejściowych [V]Zakres napięć wyjściowych [V]Prąd wyjściowy [A]
    TPS7A810123,52,2 - 6,50,8 - 61
    TPS7A800123,52,2 - 6,50,8 - 61
    TPS74701151,1 - 5,50,8 - 3,60,5
    TPS7A830061,1 - 6,50,82
    TPS7A470043 - 361,2 - 30 1
    TPS7A35003,81,7 - 5Od 200 do 500 mV poniżej napięcia zasilania1


    Do naszego projektu wybrana została przetwornica DC-DC TPS54120, które generować będzie pośrednią linię zasilania. Warto pamiętać, że ten układ scalony to zintegrowana przetwornica TPS54320 z liniowym stabilizatorem LDO TPS7A8001. Z uwagi na to, odnosząc się w tekście czy na ilustracjach do przetwornicy DC-DC oznaczać ją będziemy TPS54320, a pisząc o zintegrowanym układzie TPS54120.





    Z punktu widzenia szumu, PSRR, prądu wyjściowego, a także kosztów i wielkości systemu na PCB najlepszymi układami do zastosowania w projektowanym układzie są TPS7A8001 i TPS74701. Wyprodukowany w technologii PMOS TPS7A8001 charakteryzuje się bardzo wysokim PSRR, a z kolei stabilizator TPS747 charakteryzuje się najmniejszym spadkiem napięcia. Oba te rozwiązania zostały przetestowane do filtrowania i stabilizacji napięcia pośredniego, generowanego przez przetwornicę impulsową TPS54120/TPS54320. Rysunki w artykule poniżej opisano jako charakteryzujące rozwiązanie oparte o układy TPS54320 + TPS747 lub o układ TPS54120. Tak jak wspomniane było powyżej układy te zasilały przetwornik ADS3444, pracujący z sygnałem wejściowym w postaci pojedynczej sinusoidy o częstotliwości 19,8 MHz i amplitudzie -2 dBFS. W ADC wyłączono chopper i dither.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 5
    Rys.1: Kompletne rozwiązania systemu zasilania dla ADC.


    Projekt zaprezentowany na rysunku 1 wykorzystuje stabilizator liniowy LDO do istotnego zwiększenia PSRR ADC. Aby wykorzystać pojedynczy LDO dla obu napięć zasilania - AVDD i DVDD - dodano koraliki ferrytowe na liniach prowadzących od stabilizatora do wejścia zasilania sekcji cyfrowej i analogowej przetwornika ADC. Takie koraliki zapewnią zminimalizowanie przesłuchu pomiędzy tymi dwoma fragmentami układu ADC. Rysunek 2 i 3 pokazują schematy blokowe rozwiązań opartych o kompaktową aplikację TPS54120 oraz o implementację dwóch układów: TPS54320 i TPS747.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 5
    Rys. 2: Kompaktowe rozwiązanie zasilania oparte o TPS54120.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 5
    Rys. 3: Rozwiązanie zasilania oparte o układy TPS54320 i TPS747.


    Oba układy są bardzo podobne, co do swojej architektury. Główna różnica tkwi nie w napięciach wejściowych i wyjściowych poszczególnych elementów, a w typie wykorzystanego LDO. Oba stabilizatory liniowe, obecne w układach mają podobne parametry szumowe, ale różnią się co do architektury i maksymalnego prądu wyjściowego. TPS54120 to ukłąd zbudowany w technologi PMOS, a jego maksymalny prąd wyjściowy to 1 A; z kolei TPS747 to NMOS z prądem wyjściowym do 500 mA. Dodatkowo warto nadmienić, że można zmniejszyć spadek napięcia na TPS747 istotnie poniżej zaoprezentowanego, korzystając z dodatkowych funkcji wbudowanych w ten układ.

    Oba zaprezentowane systemy zasilania mają bardzo dobre i podobne do siebie parametry. Aby ocenić dokładniej PSRR obu systemów zasilania musimy zanalizować widma FFT sygnałów wyjściowych z ADC. Przetwornica zasilająca cały system zasilana jest albo tylko przetwornikiem analogowo-cyfrowym albo nim i dodatkowym obciążeniem pobierającym 2 A. Rysunek 4 prezentuje widmo FFT dla układu TPS54320 z niskoszumnym LDO TPS74701 (wybranym z uwagi na najniższy dostępny spadek napięcia na LDO - ma to istotne znaczenie dla wydajności energetycznej systemu).

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 5
    Rys. 4: Widmo FFT dla ADC zasilanego poprzez TPS54320 + TPS747.


    Rysunek 5 pokazuje w przybliżeniu dwa fragmenty powyższego widma: od DC do 5 MHz (u góry) i okolice częstotliwości sygnału wejściowego - 19,8 MHz (na dole)

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 5 Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 5
    Rys. 5: Detale widma FFT dla ADC zasilanego poprzez TPS54320 + TPS747 w zakresie od DC do 5 MHz (u góry) i w okolicy 19,8 MHz (na dole).


    Obciążenie przetwornicy DC-DC dodatkowym prądem 2 A pogorszy jakość zasilania i toru sygnałowego ADC o około 5 dB na większości pików na widmie oraz aż o 18 dB przy częstotliwości przełączania przetwornicy. Wyniki pracy z większym obciążeniem dla układu TPS54120 pokazano na rysunku 6.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 5
    Rys. 6: System zasilania oparty o kompaktową aplikację TPS54120.


    Obciążenie na poziomie 2 A degraduje jakość zasilania w zakresie od DC do 5 MHz nie tak mocno, jak w przypadku poprzedniego rozwiązania. Szczegóły widma FFT w okolicy niskich częstotliwości i tonu 19,8 MHz zaprezentowano na rysunku 7.

    Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 5 Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 5
    Rys. 7: Detale widma FFT dla ADC zasilanego z układu TPS54120.


    Najlepszym systemem spośród zaprezentowanych zdaje się być TPS54120. Oprócz tego, że oferuje on najlepsze parametry elektryczne i szumowe to pozwala on na stworzenie sekcji zasilania zajmującej bardzo małą powierzchnię na PCB, gdyż omawiany układ integruje w sobie tak przetwornicę impulsową jak i stabilizator liniowy LDO. Jeżeli w systemie istotna jest wydajność energetyczna sekcji zasilania, to zasilacz skonstruowany w oparciu o TPS54320 i TPS74701 może być lepszym rozwiązaniem z uwagi na możliwość stworzenia wydajniejszego zasilacza o odrobinę jedynie gorszych parametrach. Oczywiście, kluczem do sukcesu jest zrozumienie wymagań danego projektu i dopasowanie konkretnego rozwiązania do projektowanego systemu.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/09/04/designing-a-power-supply-solution-for-pipeline-adcs-part-2


    Fajne!