精密模拟电路设计中清洁电压轨生成方法

通常的解决方案是使用一个产生正轨的正降压或者升压开关电源，然后使用线性稳压器进行后期稳压，以减少开关电源形成的电压纹波。使用一个反向开关电源产生负轨。由于高压负低压降稳压器(LDO)的产品系列较少，因此我们一般使用一个离散式LC滤波器来减弱开关噪声。尽管这种方法有效，但它要求设计人员花费时间来计算LC滤波器的精度和长期稳定性。

例如，图1所示参考设计便使用了TPS54x60，其显示了一种更为简单的清洁电压轨生成方法。利用这种电路，通过一个开关转换器来构建正负电压轨。使用两个高电源抑制比 (PSRR)/低噪声LDO进行后期稳压，以消除开关噪声。LDO的噪声性能去除了对于LC输出滤波器的需求。

图1,参考示意图

要创建这种参考设计，需使用一个降-升压结构的+60V开关转换器来产生一个平衡的+/-输出电压。利用低噪声、高PSRR LDO（例如：TPS7A30 和 TPS7A49 等），对开关的正负电压输出进行后期稳压。图2中，–18V轨的开关稳压器电压纹波为约40mV，而+18V轨则为20mV。通过使用LDO对300 kHz开关稳压器的输出进行后期稳压，电压纹波得到极大减弱。这里，我们使用60V开关转换器，因为接地引脚参考至–18V 轨，并且最大V_IN为30V。在这种配置中，开关转换器必须承受的最大电压为48V。请为其宽输入电压、低输出噪声和高PSRR选择LDO。

图2,表明LDO PSRR性能的示波器屏幕截图

在今天的医疗、测试测量以及工业控制市场上，随着数据转换器分辨率的提高，或者说随着信号满量程范围的减小，对于更高噪声性能的需求变得越来越重要。表 1 显示了随着数据转换器分辨率的提高，1LSB 电压阶跃减小。或者，随着满量程电压摆动量级的减小，1 LSB 电压阶跃减小。随着 1 LSB 电压值减小，电源产生的噪声影响增加。电源产生的噪声增加了信噪比 (SNR)，从而降低了数据转换器的有效分辨率。例如，由于电源产生的过度噪声，一个 16 位数据转换器会表现得像一个 14 位数据转换器。具体应由设计工程师来决定如何进行噪声和精确度之间的折中。

数据转换器精确度

表1：LSB 折中考虑

重新创建该设计的一种简单方法是使用我们用过的相同评估板：TPS54060EVM-590用于开关电路；TPS7A30-49REVM-567用于LDO。

只需将开关稳压器评估板(EVM)连接至LDO EVM的输入便可开始评估。如果这款解决方案不符合系统电压要求，请下载该负载点(POL) DC/DC转换器工具，对开关电路进行修改，以符合您的规范。如果LDO板要求不同的输出电压，请利用LDO产品说明书修改反馈电阻器，以计算理想输出电压要求的值。使用这种方法，可通过12V到30V的输入电压以及+/-2.5V到 +/-15V范围的输出电压，产生正负电压轨。

结论

如果需要一款更简单的解决方案，产生极低噪声的稳定正负电压轨，为ADC、DAC、双极放大器等供电，则请考虑使用图1所示参考设计。请对可用的工具及应用支持进行评估，它们可以让正负电压电源的创建、评估和修改变得更加轻松。现在，你可以快速地创建电源部分，将更宝贵的设计时间花在数据转换电路上面，它对于在竞争中差异化您的应用至关重要。

作者简介

Pat Hunter 现任TI产品市场营销工程师，主要负责负载点电源解决方案的市场营销战略开发工作。Pat 毕业于北卡罗来纳大学 (University of North Carolina, Charlotte, North Carolina)，获电子工程理学学士学位，他拥有一项专利。