多通道动态数据采集系统的低噪声低纹波电源设计

刘续兴 李聪 曲佳佳 邢优胜

（恒信大友（北京）科技有限公司 北京市 100192）

高精度多通道动态数据采集系统可实现对动态信号的高精度高速采集、快速实时数据处理分析等功能，进而实现对大型关键设备的故障诊断及其结构动态信号的测量。[1]

整个系统由16 个并行的高速高精度采集板（4 通道）、8 个DSP 组成实时数据处理模块、1 个高速共享缓存模块、1 个ARM主控处理模块及高精度电源母板组成。

为了实现高动态范围和高精度的采集模块，采用DC-DC[2]电源+LD0 组合的电源架构，进行低噪声、低纹波的高精度电源模块设计，以确保系统的背景噪声降至最低。

1 电源板架构

低噪声电源设计采用DC-DC 电源+LD0 组合的电源架构，充分利用DC-DC 电源的高效率和LDO 低纹波噪声等特点，实现电路效率和性能的有效均衡。母线电源输入后，可用高效的DC-DC 电路将输入电压转成稍高于系统需要的次级电压，再将次级电压通过LDO 转成系统所需的电源。为进一步提高电源质量，在电源输出级增加多级π 型滤波器减小电源纹波和噪声，使电源满足系统模拟电路和ADC 电路的供电要求。如图1 所示。

2 电源板组成及功能

选用LT1377 作为28V、±15V、+5V 和+3.3V 供电芯片，通过配置不同的反馈电阻得到需要的电压；选用A CT8945AQJ405 作为ARM MCU 的电源管理芯片。传统升压调节器会产生三个问题：启动时的浪涌电流，关断时输出的泄漏电压以及无限制的短路电流。

TPS61080/1 采用恒定PWM（脉宽调制）频率的电流模式控制。开关频率可通过FSW 引脚配置为600KНz 或1.2MНz。600KНz 提高了轻载效率，而1.2MНz 允许使用更小的外部元件。PWM 操作在每个开关周期开始时打开PWM 开关。输入电压施加在电感器上，并在电感器电流增加时存储能量。负载电流由输出电容提供。当电感电流跨越由误差放大器输出设置的阈值时，PWM 开关关断，功率二极管正向偏置。电感器传输其储存的能量以补充输出电容器。该操作在下一个开关周期中重复。

在典型的升压转换器拓扑结构中，如果输出接地，关闭电源开关不会限制电流，因为从输入到输出通过电感和功率二极管存在电流路径。为了消除这个路径，TPS61080/1 关闭了输入和电感之间的隔离FET。当电感电流超过短路电流限制13μs，或OUT 引脚电压低于VIN-1.4V 超过2ms 时，触发该电路。L 引脚和地之间的内部钳位二极管导通，为电感提供电流放电路径。

由于电感器的选择影响稳态操作，瞬态行为和环路稳定性，所以电感器是功率调节器设计中最重要的组件。有三个重要的电感规格，电感值，直流电阻和饱和电流。仅仅考虑电感值是不够的。

电感的电感值决定了电感纹波电流。通常建议将峰峰值纹波电流设置为直流电流的30-40%。此外，电感值不应超出推荐的工作条件表中的范围。这是功率损耗和电感尺寸的良好折衷。电感直流电流可以计算为：

图1：DC-DC+LDO 电源架构

输出电容主要选择为满足输出纹波和环路稳定性要求。该纹波电压与电容器的电容和等效串联电阻（ESR）有关。

在负载瞬态期间，升压转换器输出端的输出电容必须在电感电流升高其稳态值之前供应或吸收瞬态电流。在负载瞬变期间，较大的电容器总是有助于降低高压和低压的电压。更大的电容器也有助于环路稳定性。

对于所有开关电源，布局是设计中的重要一步，特别是对于高电流和高开关频率。如果布局不够仔细，监管机构可能会出现稳定性问题以及EMI 问题。因此，对于高电流路径和电源地线使用宽而短的走线。输入电容不仅需要靠近VIN，还需要靠近GND 引脚，以降低IC 看到的电压纹波。L 和SW 引脚方便地位于IC 的边缘，因此电感可以靠近IC 放置。输出电容需要靠近负载放置，以最大限度地降低纹波并最大限度地提高瞬态性能。

为了尽量减小接地噪声的影响，对于连接到PGND 引脚的所有电源地使用一个公共节点，并将不同的地连接到GND 引脚。如果可能，在负载处将两个接地节点连接在一起。这样可以使GND引脚接近输出地以实现良好的直流调节。这两个节点之间的任何电压差都会通过输出端的反馈分压器获得。由于它们之间有大电流，因此输出电容的地与PGND 接近也是有益的。为了布局信号地，建议使用与电源地线分开的短路线。

3 电源各主要部分电路设计

如图2、图3 所示。

4 结论

本电源通过采用DC-DC 与LDO 电源结合的电源架构，充分利用了两种电源各自的优点，实现了电源效率和性能的均衡。同时，在输出级增加多级π 型滤波器减小电源纹波和噪声，使电源满足系统要求。为高动态范围和高精的数采系统提供了低噪声低纹波电源。

图2：电源部分控制电路

图3：串口转RS485 总线接口