如何通過合適的電源，提高敏感測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)的性能
在創(chuàng)建高性能測(cè)試和測(cè)量設(shè)備時(shí)，我們最不關(guān)心的是什么為電路板供電。可能難以置信，但電源會(huì)對(duì)位于電源下游的高精度逐次逼近寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的性能產(chǎn)生巨大影響。使用經(jīng)過電磁干擾 (EMI) 優(yōu)化的電源對(duì)于許多不同的應(yīng)用非常有價(jià)值，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備、頻譜分析儀和示波器。
通過使用針對(duì) EMI 性能優(yōu)化的 DC/DC 開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器而不是標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器，我們可以將信噪比 (SNR) 和無雜散動(dòng)態(tài)范圍提高多達(dá) 2dB 和 12dB（ SFDR)，分別。為了進(jìn)行分析，我使用了兩個(gè) 20 位 SAR ADC (ADS8900B ) 通道 THS4551全差分放大器和LM53635 EMI 優(yōu)化的 36V 降壓轉(zhuǎn)換器，然后是TPS7A30低壓降穩(wěn)壓器 (LDO).
LM53635 降壓轉(zhuǎn)換器的三個(gè)關(guān)鍵發(fā)展使其具有出色的 EMI 性能：
· HotRod? 包裝。
· 對(duì)稱引腳排列為輸入電容器啟用同心電流回路。
· 擴(kuò)頻功能。
LM53635 使用 HotRod 封裝，這是 TI 實(shí)施的倒裝芯片引線 (FCOL) 框架器件。該器件針對(duì)汽車和性能驅(qū)動(dòng)型行業(yè)客戶進(jìn)行了全方位優(yōu)化。器件的輸入電壓高達(dá) 36V，容許的瞬態(tài)電壓高達(dá) 42V，因此簡(jiǎn)化了輸入浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)。該器件采用通過汽車認(rèn)證的 Hotrod QFN 可濕性側(cè)面封裝，可降低寄生電感和電阻，同時(shí)可提高效率、更大限度減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴，并大幅降低電磁干擾 (EMI)。無需使用鍵合線將芯片連接到引線框架，而是將芯片翻轉(zhuǎn)并直接焊接到引線框架；請(qǐng)參見圖 1 和圖 2。去除鍵合線可減少寄生電感量，這是一種難以濾除的高頻噪聲源。HotRod 封裝技術(shù)的另一個(gè)好處是它降低了器件的漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(on) )，這實(shí)際上提高了器件效率。
圖 1：標(biāo)準(zhǔn)絲焊四方扁平無引線 (QFN) 器件
圖 2：HotRod FCOL QFN 器件
圖 3 顯示了 LM53635 降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)中的 HotRod 封裝的直接優(yōu)勢(shì)。
圖 3：帶鍵合線的標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn) (a)；采用 HotRod 封裝的 EMI 優(yōu)化 LM53635 的開關(guān)節(jié)點(diǎn) (b)；對(duì)稱的 V IN /接地平面為 LM53635 (c) 提供 EMI 優(yōu)化的引腳排列
雖然 HotRod 封裝提高了 EMI 性能，但另一個(gè)優(yōu)化是器件的引腳排列。LM53635的 V IN /接地平面設(shè)計(jì)為對(duì)稱的，這使我們可以并聯(lián)輸入電容器，從而減小輸入電流環(huán)路的大小。將此寄生電感并聯(lián)還可以減少振鈴并有助于減輕高頻 EMI。
LM53635 的另一個(gè)重要特性是擴(kuò)頻特性，它通過抖動(dòng) ±3% 的頻率來幫助降低基波能量峰值來增強(qiáng) EMI 性能。擴(kuò)頻功能可以將高頻峰值發(fā)射降低高達(dá) 6dB，在較低頻率下降低略小于 1dB。LM53635具有 36V輸入的最大工作電壓，針對(duì)高達(dá) 18V輸入的系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并且可以在 2.1MHz下將該電壓有效地轉(zhuǎn)換為 3.3V輸出。當(dāng)電壓超過 18V 時(shí)，器件會(huì)平滑地將頻率從 2.1MHz 折回。
另一個(gè)器件LMS3655 是LMS3635 的 400kHz 版本，可以有效地將 24V輸入電壓轉(zhuǎn)換為 1V輸出電壓，而無需任何頻率折返，因?yàn)樵?/span> 400kHz 開關(guān)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)最小導(dǎo)通時(shí)間違規(guī)。雖然 LM53635 由于其 2.1MHz 頻率而提供了更小的電感器解決方案和總解決方案尺寸，但 LMS3655 已針對(duì)效率進(jìn)行了優(yōu)化——在 12V IN至 5V OUT轉(zhuǎn)換下具有 96% 的峰值效率。LM53635 和 LMS3655 都具有 EMI 性能優(yōu)化功能。
圖 4：沒有擴(kuò)頻（左）和擴(kuò)頻（右）的高頻傳導(dǎo) EMI 結(jié)果 (30-108MHz)。疊加在圖表上的紅線表示來自嚴(yán)格的 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Class 5 標(biāo)準(zhǔn)的限制，30-54MHz 的限制為 28dB，70-108MHz 的限制為 18dB。
TI 在與類似降壓轉(zhuǎn)換器完全相同的配置中測(cè)試了 LM53635，該轉(zhuǎn)換器沒有針對(duì) EMI 進(jìn)行優(yōu)化，輸入電壓為 24V，輸出連接到相同的 LDO，并測(cè)試了 ADC 的性能。表 1 以及圖 5 和圖 6 顯示了 LM53635 中優(yōu)化的影響。
表 1：LM53635 與完全相同配置下的非 EMI 優(yōu)化開關(guān)降壓穩(wěn)壓器的性能對(duì)比
圖 5：非 EMI 優(yōu)化降壓轉(zhuǎn)換器的頻譜分析，顯示 出大量尖峰
圖 6：LM53635 EMI 優(yōu)化降壓轉(zhuǎn)換器，沒有額外的雜散（與圖 5 不同）
我們可以輕松看到將 LM53635 降壓轉(zhuǎn)換器用于高精度應(yīng)用的性能增強(qiáng)。與未針對(duì) EMI 優(yōu)化的類似降壓轉(zhuǎn)換器相比，使用這種 EMI 優(yōu)化的器件可實(shí)現(xiàn) +1dB 的 SNR 增益和 +13dB 的 SFDR 增益。雖然電源樹通常不是大多數(shù)設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量時(shí)間的領(lǐng)域，但選擇合適的開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體靈敏度產(chǎn)生巨大影響。
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