開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

盡管在模擬量采集系統(tǒng)中，對(duì)ADC芯片等的供電一般建議最好不用開關(guān)電源，以避免其固有的紋波大、噪聲等問題，但開關(guān)電源仍以其高效率、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，尤其是在工業(yè)控制等領(lǐng)域。本文介紹開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)可能出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行分析。

開關(guān)電源對(duì)ADC芯片工作的影響及解決方法

電源對(duì)ADC芯片的影響，除了體現(xiàn)在電源抑制比（PSRR）參數(shù)上，還表現(xiàn)在，當(dāng)ADC芯片對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、保持、轉(zhuǎn)換時(shí)，電源電壓、參考地的變化，都會(huì)對(duì)ADC芯片內(nèi)部采樣電路、比較器等的工作產(chǎn)生影響，使得采集結(jié)果出現(xiàn)晃動(dòng)。因此，一般ADC芯片特別是高精度ADC芯片，都建議最好用質(zhì)量好的線性電源供電。如果采用開關(guān)電源，則需要盡力避免它對(duì)ADC芯片產(chǎn)生影響。

圖1是一個(gè)典型的應(yīng)用，其中模擬采樣用的信號(hào)調(diào)理電路、ADC和現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)不隔離，ADC芯片和CPU電源相互隔離。CPU采用控制系統(tǒng)內(nèi)部電源。而ADC的+5V電源是由+24V電源經(jīng)過+24V到+5V電源變換而來的。圖中左側(cè)部分是典型的串聯(lián)、降壓非隔離型DC-DC變換器的原理框圖。設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)頻率、+5V消耗電流、要求的輸出紋波最大值，計(jì)算出電感L1、電容C1的合適大小。

為了分析出開關(guān)電源對(duì)ADC芯片的影響，這里假設(shè)信號(hào)調(diào)理電路及ADC芯片正常運(yùn)行的耗電是25mA/+5V，對(duì)于光耦部分，如果采用6N136、TLP521等三極管輸出型的光耦，則當(dāng)CPU不啟動(dòng)ADC工作時(shí)，光耦全不導(dǎo)通，耗電小于1mA；當(dāng)CPU啟動(dòng)ADC工作時(shí)，將有數(shù)據(jù)輸出Dout、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好Ready等信號(hào)經(jīng)過光耦，光耦處于導(dǎo)通狀態(tài)，為了達(dá)到比較高的通訊速率，光耦總耗電需要25mA/+5V左右。這樣，+5V負(fù)載電流將在25～50mA之間來回變動(dòng)。正常開關(guān)電源設(shè)計(jì)的輸出電流應(yīng)該2倍于最大負(fù)載電流，這里設(shè)為100mA，下面將要說明負(fù)載電流的變化將極大影響+5V，從而影響ADC采樣穩(wěn)定性。

開關(guān)電源的工作原理是，平時(shí)Q1的周期性開關(guān)動(dòng)作，再經(jīng)過L1、C1，得到所需要的輸出；而當(dāng)輸出+5V電壓發(fā)生上升/下降超過一定限度（如幾十毫伏），經(jīng)過采樣、反饋后，開關(guān)控制電路控制Q1的開關(guān)，使得輸出電壓向+5V回歸。在+5V負(fù)載比較恒定的情況下，輸出+5V的最大紋波，可以根據(jù)采樣反饋電路工作原理（比如MC34063是通過比較器和鎖存器來控制Q1的開關(guān)）、開關(guān)頻率等計(jì)算出來。

但如果是圖1中帶光耦的情況，開關(guān)電源的輸出不僅供給相對(duì)恒定的負(fù)載（如信號(hào)調(diào)理電路、ADC芯片），而且還要供給光耦等數(shù)字部分電路，有可能發(fā)生最壞的情況是，當(dāng)開關(guān)管Q1正處于上述穩(wěn)定工作中的關(guān)斷時(shí)刻，光耦突然被ADC導(dǎo)通，此時(shí)L1、C1將要提供50mA的負(fù)載電流，而平時(shí)穩(wěn)定工作中L1只提供25mA的電流，剩下電流只能從電容C1中獲取，使得C1上的電壓即+5V電平下降比較大。這將持續(xù)半個(gè)開關(guān)周期，直到開關(guān)管Q1打開。如果開關(guān)電源的開關(guān)頻率是100KHz，而ADC芯片數(shù)據(jù)Dout的通訊頻率也是100KHz左右，將引起輸出+5V電壓頻繁波動(dòng)，造成更大的輸出紋波。在示波器上甚至能看到噪聲反饋在+24V輸入上。

上面只是理論分析的最壞情況，實(shí)際應(yīng)用中，濾波電容等器件的非理想性、PCB布線等等，將使得電源紋波更大，ADC采樣結(jié)果不穩(wěn)定。有的微功率型隔離DC/DC，或者如電荷泵器件，只有開關(guān)管的周期性開關(guān)動(dòng)作，而沒有上述采樣、反饋電路，輸出更容易受到負(fù)載不穩(wěn)定的影響，使得ADC采樣結(jié)果更不穩(wěn)定。

圖1：開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的典型應(yīng)用圖

比較好的解決辦法

1.設(shè)法降低開關(guān)電源的負(fù)載變化，因?yàn)殡m然目前開關(guān)電源的工作頻率已到幾百kHz以上，但開關(guān)電源的負(fù)載響應(yīng)時(shí)間仍至少要幾個(gè)μs，低于目前大多ADC采樣的速度。比如采用光耦6N137就比6N136好，因?yàn)?N137只是靜態(tài)電流比較大，而它需要的二極管導(dǎo)通電流小，使得電源的負(fù)載變化不會(huì)很大。或者不把模擬+5V電源接到小功率的開關(guān)電源輸出上，而接到其它功率比較大的開關(guān)電源輸出上，避免開關(guān)電源輸出受到負(fù)載變動(dòng)的影響。同樣一個(gè)值得注意的問題是，不要使用ADC芯片的Ready、Dout、Din等引腳直接驅(qū)動(dòng)光耦，最好通過光耦驅(qū)動(dòng)電路，使得模擬和數(shù)字電源得到很好地相互隔離，避免在光耦開關(guān)時(shí)，有大的電流越過ADC芯片。

2.開關(guān)電源后加LDO等輸出電壓紋波小的器件，再供給信號(hào)調(diào)理電路、ADC芯片，保證模擬電路電源的穩(wěn)定。

3.如果在開關(guān)電源后加LC濾波，將LC濾波后的電源供給數(shù)字部分，此時(shí)應(yīng)該針對(duì)不同的負(fù)載電流大小，選擇相應(yīng)的L、C數(shù)值，必要的時(shí)候，要通過一定的計(jì)算、仿真及試驗(yàn)來加以確定。電感、電容不能過大，否則難以響應(yīng)負(fù)載（光耦開/關(guān)）的變化。建議開關(guān)電源輸出直接供給數(shù)字部分；同時(shí)經(jīng)過LC濾波或者RC濾波，再供給信號(hào)調(diào)理電路、ADC芯片。在采用LC濾波時(shí)，還需要注意LC的諧振頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離開關(guān)電源工作頻率。比如濾波RC電路的電阻R可以取10Ω左右，電容取10μF左右。

4.其它常規(guī)的方法也特別重要，如信號(hào)調(diào)理電路、ADC芯片的電源和地，要同光耦等數(shù)字部分的電源和地分開走線，最后單點(diǎn)連接。或者兩者采用兩個(gè)DC/DC電路分別給ADC芯片等模擬電路和光耦等數(shù)字電路供電。原因和上文分析一樣，也是為了更好的避免數(shù)字、模擬之間電源的相互干擾。

開關(guān)電源對(duì)運(yùn)算放大器的影響及解決方法

一般模擬量信號(hào)進(jìn)入ADC芯片之前，要利用運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，以提供必要的電平變換、濾波、ADC芯片驅(qū)動(dòng)等等。運(yùn)算放大器與ADC相接口時(shí)，容易受到電源的影響，從而也影響ADC芯片采集的穩(wěn)定。圖2是運(yùn)算放大器與ADC的典型接口圖。

圖2：運(yùn)算放大器與ADC的典型接口圖

大多ADC芯片內(nèi)部的模擬輸入端都具有一個(gè)采樣電容Cin，電阻R1對(duì)運(yùn)放輸出限流，數(shù)倍于采樣電容的陶瓷電容C1使得開關(guān)SW合上的瞬間，通過C1迅速給采樣電容Cin充電。R1、C1的具體數(shù)值，與運(yùn)放的穩(wěn)定性、建立時(shí)間、ADC采樣時(shí)間、需要的采樣精度有關(guān)。

這里要指出的是，在上述過程中，運(yùn)放的電源也會(huì)起很大的作用。在運(yùn)放對(duì)電容充電期間，瞬間需要較大的電流，而開關(guān)電源的負(fù)載響應(yīng)時(shí)間不夠，將造成比較大的電源紋波，影響運(yùn)放的輸出。比如采用C1=10Cin=250pF，則當(dāng)SW從別的通道（假設(shè)為-5V）切到AI0通道（假設(shè)+5V）時(shí)，Cin從-5V切換到C1上的電壓+5V，C1迅速給Cin充電，最終電壓為（5V×10-5V）/11＝4.09V，運(yùn)放輸出要從5V變到4.09V，R1太小容易帶來運(yùn)放輸出穩(wěn)定性問題，同時(shí)也會(huì)對(duì)運(yùn)放輸出電流帶來沖擊，影響電源電壓。

特別是在采用電荷泵給運(yùn)放-VCC提供小的負(fù)電源時(shí)，電荷泵輸出電壓隨負(fù)載增大而降低的特性使得效果更加明顯。比較發(fā)現(xiàn)，運(yùn)放采用直流線性穩(wěn)壓電源時(shí)，12位的ADC采集結(jié)果很穩(wěn)定，結(jié)果變動(dòng)可達(dá)1LSB以下；相比之下，采用電荷泵器件時(shí)，如果電荷泵輸出沒有大的濾波，ADC采集結(jié)果晃動(dòng)可達(dá)3LSB。如果增大R1為100Ω時(shí)，C1=10Cin，不考慮運(yùn)放輸出電阻時(shí)，需要運(yùn)放輸出電流的最大值為（5－4.09）V/100Ω＝9.1mA），小于一般運(yùn)放的最大輸出電流。但R1太大，將明顯降低ADC所能采集到的信號(hào)頻率，在ADC對(duì)該通道“跟蹤”期間，運(yùn)放無法完成對(duì)C1和Cin充電，使得該次采樣與運(yùn)放輸入端電壓相差較大，會(huì)造成諧波失真。

解決辦法除了前文描述的以外，同時(shí)還可以采用以下方法：

1.運(yùn)放的正負(fù)電源對(duì)地除并接一個(gè)10～22μF大電容以減少電源紋波外，再并接一個(gè)0.1～1μF的小陶瓷電容，以通過0.1～1μF高頻去耦電容的作用，避免負(fù)載電容的瞬間充電對(duì)電源的影響。效果類似于數(shù)字芯片電源和地之間加的去耦電容。

2.增大圖2中ADC前端電阻R1，減小運(yùn)放的輸出電流，能起到一定的濾波作用。當(dāng)然R1大的話，將衰減通過運(yùn)放的信號(hào)。

開關(guān)電源對(duì)參考源的影響及解決方法

有的ADC芯片要外部提供參考源，這時(shí)外部參考源的供電，也需要參照前文所述的處理方法，采取在輸入端加濾波等措施。同時(shí)注意，對(duì)連續(xù)