Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Projektowanie systemów zasilania dla przetworników ADC - część 5

ghost666 23 Jan 2016 15:06 1950 0
SterControl
  • 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

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11093 posts with rating 9408, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • SterControl