設(shè)計(jì)目標(biāo)

目標(biāo)：從 +5V 電源生成 ±15V 精密電源。

設(shè)計(jì)說明

部分精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 需要高壓電源才能工作。本模擬工程師電路描述了一種可用于高壓精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的精密高壓電源電路。在本設(shè)計(jì)中，推挽驅(qū)動器首先使用現(xiàn)成的中心抽頭變壓器將 +5V 電源輸入升壓至約 ±20V。隨后，雙路輸出低壓降 (LDO) 電壓穩(wěn)壓器設(shè)定 ±15V 的電源輸出。許多應(yīng)用，如可編程邏輯控制器 (PLC)、模擬輸入和模擬輸出，在進(jìn)行輸入測量或輸出驅(qū)動時(shí)都需要高壓電源。

設(shè)計(jì)說明

1. 本電路由 USB 主機(jī)端口提供的標(biāo)稱 5V 電源驅(qū)動。必須注意確保 USB 電壓足夠高，并防止超過 USB 端口電流限制。
   1. USB 1.0、1.1 和 2.0 的最低輸出電壓為 4.75V。對于高電流下的 USB-C，此電壓可能低至 4.5V。
   2. USB 1.0、1.1 和 2.0 具有 500mA 的電流輸出能力。某些 USB 充電端口可提供更高的電流輸出。USB-C 端口可輸出最高 3A 電流。
   3. 如果源輸出電壓低于預(yù)期，可在輸入端添加一個降壓/升壓電路以確保正常工作。
2. 高壓輸出源自由 SN6505B 驅(qū)動的變壓器所產(chǎn)生的 5V 電源。SN6505B 低噪聲變壓器驅(qū)動器面向小尺寸、隔離式電源設(shè)計(jì)，可由 2.25V 至 5.5V 直流電源驅(qū)動薄型中心抽頭變壓器。該變壓器驅(qū)動器以推挽轉(zhuǎn)換器模式工作，以使輸入電壓倍增。
3. 推挽轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)如下面的電路圖所示，其中變壓器匝數(shù)約為 n = 2。這會將 5V 輸入升壓至約 ±20V。
   

   SN6505B 通過開關(guān) D1 和 D2 產(chǎn)生周期信號。這些周期通過中心抽頭變壓器推入或拉出電流。開關(guān)周期交替進(jìn)行，以在整流器二極管后提供正負(fù)電壓輸出。下圖顯示了開關(guān)周期期間的輸出電流路徑。

   
4. SN6505B 精密內(nèi)部振蕩器的標(biāo)稱運(yùn)行頻率為 420kHz，但如果該頻率干擾電路板上的其他電路，可以使用外部振蕩器。另一種方案是使用類似的 SN6505A，其內(nèi)部振蕩器頻率為 160kHz。
5. 設(shè)置 SN6505B 變壓器驅(qū)動器時(shí)需考慮以下事項(xiàng)：
   1. 在變壓器驅(qū)動器的輸入端使用具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的 4.7μF 或更大的旁路電容器。
   2. 在整流器輸出端使用 1μF 至 10μF 的大容量電容器。
   3. 要防止變壓器在飽和狀態(tài)下運(yùn)行，需根據(jù) SN6505B 的運(yùn)行參數(shù)檢查變壓器的 V-t 乘積。變壓器的最小 V-t 乘積根據(jù)器件提供的最大電壓和每個開關(guān)周期的最長時(shí)間計(jì)算得出。最大電壓按轉(zhuǎn)換器標(biāo)稱輸入 5V 加上 10% 計(jì)算。該電壓施加于初級的最長時(shí)間為最低頻率周期的一半。對于 SN6505B，內(nèi)部振蕩器的最低頻率為 363kHz。計(jì)算得出 SN6505B 的 V-t 乘積為 7.6V-μs。
      ${\mathrm{V}\mathrm{t}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\ge {\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\times \frac{{\mathrm{t}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{2}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{2\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}$
      ${\mathrm{V}\mathrm{t}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\ge \frac{5.5\mathrm{V}}{2\times 363\mathrm{k}\mathrm{H}\mathrm{z}}=7.6\mathrm{V}\text{-}\mathrm{\mu }\mathrm{s}$
   4. 推薦使用電感為 475μH 的 Würth Elektronik? 760390015 變壓器。該變壓器的 V-t 乘積為 11V-μs，高于先前計(jì)算的 7.6V-μs V-t 乘積。由 N1 + N2:N3 + N4 得出的匝數(shù)比為 1:2。該變壓器列于 SN6505x 低噪聲 1A 隔離式電源變壓器驅(qū)動器數(shù)據(jù)表中的針對器件優(yōu)化的推薦隔離式變壓器表中。
   5. 使用具有低正向壓降、高反向擊穿電壓的肖特基二極管。本電路選用 MBR0580-TP（反向擊穿電壓為 80V）。
   6. SN6505B 的最小電流鉗位限值為 1.42A。該鉗位會限制流入變壓器的電流。但是，變壓器數(shù)據(jù)表的輸出電流曲線圖顯示最大電流為 0.7A。本電路的測試限制在 500mA。
6. 搭建好 ±20V 升壓電路后，使用 TPS7A3901 正負(fù)雙路 LDO 生成 ±15V 電源輸出。有關(guān)該 LDO 的更多信息，請參閱 TPS7A39 雙路、150mA、寬 V_IN 正負(fù) LDO 電壓穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)表。
   1. LDO 的最大輸出限制為 150mA（從正輸出拉出電流，向負(fù)輸出灌入電流）。但本電路測試的最大輸出電流為 50mA。
   2. EN 引腳用作電源正常引腳以使能 LDO。其最小使能電壓為 2.2V。EN 引腳電壓由 499kΩ 至 100kΩ 電阻分壓器從變壓器的正 20V 輸出獲得。
   3. LDO 的輸出可通過將電阻分壓器連接到反饋輸入引腳來進(jìn)行調(diào)整。正 LDO 的反饋輸入設(shè)在 FBP 引腳上。根據(jù)輸出電壓確定電阻分壓器來設(shè)置輸出，從而使 V_FBP 達(dá)到 1.188V。下圖顯示了正 LDO 輸出。
      
      設(shè)輸出為 15V，F(xiàn)BP 與接地之間的電阻為 10kΩ，則可計(jì)算出頂部電阻器：
      $\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)\times 1.188\mathrm{V}=\mathrm{ }15\mathrm{V}$
      ${\mathrm{R}}_1=(12.62\mathrm{ }\times 10\mathrm{k}\mathrm{\Omega })-10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
      ${\mathrm{R}}_1=116.2\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
      R1 選用 118kΩ，采用 1% 標(biāo)準(zhǔn)阻值。這將得到正 LDO 輸出值約為 15.21V。
   4. 類似地，負(fù) LDO 輸出通過分壓器從 BUF 引腳的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)輸出緩沖器獲得。負(fù) LDO 的反饋輸入設(shè)在 FBN 引腳。該 V_FBN 電壓的典型值為 3.7mV。
      
      設(shè)輸出為 -15V，BUF 與 FBN 之間的電阻為 10kΩ，則可計(jì)算出底部電阻器：
      $\frac{{\mathrm{R}}_2}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\left(1.19\mathrm{V}-3.7\mathrm{m}\mathrm{V}\right)+3.7\mathrm{m}\mathrm{V}=-15\mathrm{V}$
      ${\mathrm{R}}_2=\frac{\left(15\mathrm{V}-3.7\mathrm{m}\mathrm{V}\right)\times 10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{1.1863\mathrm{V}}$
      ${\mathrm{R}}_2=126.4\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
      R2 選用 127kΩ，同樣使用 1% 標(biāo)準(zhǔn)阻值。這將得到負(fù) LDO 輸出值約為 -15V。根據(jù)此設(shè)置計(jì)算出的標(biāo)稱值為 -15.07V。
   5. TPS7A3901 正向壓降電壓的典型值為 175mV，最大值為 300mV。負(fù)向壓降電壓的典型值為 -145mV，最大值為 -250mV。兩個壓降電壓的規(guī)格均為：拉電流 50mA 和灌電流 50mA。
   6. CNR/SS 引腳用于降低低頻噪聲。為該引腳選用了 10nF 電容器。CFFP 和 CFFN 電容可用于降低中頻噪聲。
   7. 雖然本應(yīng)用描繪成非隔離式電源，但通過分離變壓器任一側(cè)的接地，本電路也可用作工業(yè)應(yīng)用中的隔離式電源。

測量結(jié)果

本電路在 ADS125H02EVM 的雙電源上進(jìn)行了測試。雖然該評估模塊面向精密 ADC 設(shè)計(jì)，但該電源也可用于精密 DAC，例如 DAC81404 或 DAC8760。

使用 5V 電源提供輸入。在 LDO 輸入端測量推挽轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。同時(shí)還測量了 LDO 的輸出。測量結(jié)果如下表所列。

由于輸出電壓顯著超過輸入電壓，因此輸出負(fù)載電流保持遠(yuǎn)小于輸入電流。使用電阻負(fù)載測試 TPS7A3901 雙路 LDO，從正 LDO 輸出拉出電流，向負(fù) LDO 輸出灌入電流。下圖顯示了 5V 電源的輸入電流與 ±15V 電源輸出電流負(fù)載之間的關(guān)系。

根據(jù)對所搭建電路的測量，輸入電流超過輸出負(fù)載電流的八倍。對于提供 500mA 的標(biāo)準(zhǔn) USB 2.0 端口，±15V 電源的最大輸出電流可達(dá)到約 60mA。

此外，還測量了電路輸出效率。根據(jù) 5V 電源計(jì)算出輸入功率，并記錄了電源電流。然后，根據(jù) ±15V 電源計(jì)算出輸出功率，并記錄了輸出負(fù)載電流。這些值是根據(jù)不同輸出負(fù)載繪制的，用以顯示電源效率。測得本電路在負(fù)載電流為 50mA 時(shí)的效率為 73%。效率結(jié)果如下圖所示。

設(shè)計(jì)中采用的器件

可使用參數(shù)搜索工具查找其他可用的 DAC 器件或在這些精密 ADC 中查找其他 ADC 器件。

設(shè)計(jì)參考資料

有關(guān) TI 綜合電路庫的信息，請參閱模擬工程師電路說明書。

其他資源

• 德州儀器 (TI)，ADS125H02 評估模塊用戶指南
• 德州儀器 (TI)，適用于 PLC I/O 模塊和其他低功耗應(yīng)用的隔離式電源拓?fù)洚a(chǎn)品概述
• 德州儀器 (TI)，使用一個 LDO 為雙電源運(yùn)算放大器電路供電
• 德州儀器 (TI)，高精度實(shí)驗(yàn)室系列：數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)
• 德州儀器 (TI)，高精度實(shí)驗(yàn)室系列：模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)

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