开关电源在模拟量采集系统中应用

　　尽管在模拟量采集系统中，对ADC芯片等的供电一般建议最好不用开关电源，以避免其固有的纹波大、噪声等问题，但开关电源仍以其高效率、低价格等优点得到广泛应用，尤其是在工业控制等领域。本文介绍开关电源在模拟量采集系统中的应用，并对可能出现的一些问题进行分析。
开关电源对ADC芯片工作的影响及解决方法
　　电源对ADC芯片的影响，除了体现在电源抑制比（PSRR）参数上，还表现在，当ADC芯片对输入的模拟信号进行采样、保持、转换时，电源电压、参考地的变化，都会对ADC芯片内部采样电路、比较器等的工作产生影响，使得采集结果出现晃动。因此，一般ADC芯片特别是高精度ADC芯片，都建议最好用质量好的线性电源供电。如果采用开关电源，则需要尽力避免它对ADC芯片产生影响。

图1：开关电源在模拟量采集系统中的典型应用图
　　图1是一个典型的应用，其中模拟采样用的信号调理电路、ADC和现场模拟信号不隔离，ADC芯片和CPU电源相互隔离。CPU采用控制系统内部电源。而ADC的+5V电源是由+24V电源经过+24V到+5V电源变换而来的。图中左侧部分是典型的串联、降压非隔离型DC-DC变换器的原理框图。设计中，可以根据开关管的开关频率、+5V消耗电流、要求的输出纹波最大值，计算出电感L1、电容C1的合适大小。
　　为了分析出开关电源对ADC芯片的影响，这里假设信号调理电路及ADC芯片正常运行的耗电是25mA/+5V，对于光耦部分，如果采用6N136、TLP521等三极管输出型的光耦，则当CPU不启动ADC工作时，光耦全不导通，耗电小于1mA;当CPU启动ADC工作时，将有数据输出Dout、数据准备好Ready等信号经过光耦，光耦处于导通状态，为了达到比较高的通讯速率，光耦总耗电需要25mA/+5V左右。这样，+5V负载电流将在25～50mA之间来回变动。正常开关电源设计的输出电流应该2倍于最大负载电流，这里设为100mA，下面将要说明负载电流的变化将极大影响+5V，从而影响ADC采样稳定性。
　　开关电源的工作原理是，平时Q1的周期性开关动作，再经过L1、C1，得到所需要的输出;而当输出+5V电压发生上升/下降超过一定限度（如几十毫伏），经过采样、反馈后，开关控制电路控制Q1的开关，使得输出电压向+5V回归。在+5V负载比较恒定的情况下，输出+5V的最大纹波，可以根据采样反馈电路工作原理（比如MC34063是通过比较器和锁存器来控制Q1的开关）、开关频率等计算出来。
　　但如果是图1中带光耦的情况，开关电源的输出不仅供给相对恒定的负载（如信号调理电路、ADC芯片），而且还要供给光耦等数字部分电路，有可能发生最坏的情况是，当开关管Q1正处于上述稳定工作中的关断时刻，光耦突然被ADC导通，此时L1、C1将要提供50mA的负载电流，而平时稳定工作中L1只提供25mA的电流，剩下电流只能从电容C1中获取，使得C1上的电压即+5V电平下降比较大。这将持续半个开关周期，直到开关管Q1打开。如果开关电源的开关频率是100KHz，而ADC芯片数据Dout的通讯频率也是100KHz左右，将引起输出+5V电压频繁波动，造成更大的输出纹波。在示波器上甚至能看到噪声反馈在+24V输入上。
　　上面只是理论分析的最坏情况，实际应用中，滤波电容等器件的非理想性、PCB布线等等，将使得电源纹波更大，ADC采样结果不稳定。有的微功率型隔离DC/DC，或者如电荷泵器件，只有开关管的周期性开关动作，而没有上述采样、反馈电路，输出更容易受到负载不稳定的影响，使得ADC采样结果更不稳定。
比较好的解决办法
　　1. 设法降低开关电源的负载变化，因为虽然目前开关电源的工作频率已到几百kHz以上，但开关电源的负载响应时间仍至少要几个μs，低于目前大多ADC采样的速度。比如采用光耦6N137就比6N136好，因为6N137只是静态电流比较大，而它需要的二极管导通电流小，使得电源的负载变化不会很大。或者不把模拟+5V电源接到小功率的开关电源输出上，而接到其它功率比较大的开关电源输出上，避免开关电源输出受到负载变动的影响。同样一个值得注意的问题是，不要使用ADC芯片的Ready、Dout、Din等引脚直接驱动光耦，最好通过光耦驱动电路，使得模拟和数字电源得到很好地相互隔离，避免在光耦开关时，有大的电流越过ADC芯片。
　　2. 开关电源后加LDO等输出电压纹波小的器件，再供给信号调理电路、ADC芯片，保证模拟电路电源的稳定。
　　3. 如果在开关电源后加LC滤波，将LC滤波后的电源供给数字部分，此时应该针对不同的负载电流大小，选择相应的L、C数值，必要的时候，要通过一定的计算、仿真及试验来加以确定。电感、电容不能过大，否则难以响应负载（光耦开/关）的变化。建议开关电源输出直接供给数字部分;同时经过LC滤波或者RC滤波，再供给信号调理电路、ADC芯片。在采用LC滤波时，还需要注意LC的谐振频率要远远偏离开关电源工作频率。比如滤波RC电路的电阻R可以取10Ω左右，电容取10μF左右。
　　4. 其它常规的方法也特别重要，如信号调理电路、ADC芯片的电源和地，要同光耦等数字部分的电源和地分开走线，最后单点连接。或者两者采用两个DC/DC电路分别给ADC芯片等模拟电路和光耦等数字电路供电。原因和上文分析一样，也是为了更好的避免数字、模拟之间电源的相互干扰。
开关电源对运算放大器的影响及解决方法
　　一般模拟量信号进入ADC芯片之前，要利用运算放大器进行信号调理，以提供必要的电平变换、滤波、ADC芯片驱动等等。运算放大器与ADC相接口时，容易受到电源的影响，从而也影响ADC芯片采集的稳定。图2是运算放大器与ADC的典型接口图。
　　

图2：运算放大器与ADC的典型接口图
　　大多ADC芯片内部的模拟输入端都具有一个采样电容Cin，电阻R1对运放输出限流，数倍于采样电容的陶瓷电容C1使得开关SW合上的瞬间，通过C1迅速给采样电容Cin充电。R1、C1的具体数值，与运放的稳定性、建立时间、ADC采样时间、需要的采样精度有关。
　　这里要指出的是，在上述过程中，运放的电源也会起很大的作用。在运放对电容充电期间，瞬间需要较大的电流，而开关电源的负载响应时间不够，将造成比较大的电源纹波，影响运放的输出。比如采用C1=10Cin=250pF，则当SW从别的通道（假设为-5V）切到AI0通道（假设+5V）时，Cin从-5V切换到C1上的电压+5V，C1迅速给Cin充电，最终电压为（5V×10-5V）/11=4.09V，运放输出要从5V变到4.09V，R1太小容易带来运放输出稳定性问题，同时也会对运放输出电流带来冲击，影响电源电压。
　　特别是在采用电荷泵给运放-VCC提供小的负电源时，电荷泵输出电压随负载增大而降低的特性使得效果更加明显。比较发现，运放采用直流线性稳压电源时，12位的ADC采集结果很稳定，结果变动可达1LSB以下;相比之下，采用电荷泵器件时，如果电荷泵输出没有大的滤波，ADC采集结果晃动可达3LSB。如果增大R1为100Ω时，C1=10Cin，不考虑运放输出电阻时，需要运放输出电流的最大值为（5-4.09）V/100Ω=9.1mA），小于一般运放的最大输出电流。但R1太大，将明显降低ADC所能采集到的信号频率，在ADC对该通道“跟踪”期间，运放无法完成对C1和Cin充电，使得该次采样与运放输入端电压相差较大，会造成谐波失真。
　　解决办法除了前文描述的以外，同时还可以采用以下方法：
　　1. 运放的正负电源对地除并接一个10～22μF大电容以减少电源纹波外，再并接一个0.1～1μF的小陶瓷电容，以通过0.1～1μF高频去耦电容的作用，避免负载电容的瞬间充电对电源的影响。效果类似于数字芯片电源和地之间加的去耦电容。
　　2. 增大图2中ADC前端电阻R1，减小运放的输出电流，能起到一定的滤波作用。当然R1大的话，将衰减通过运放的信号。
开关电源对参考源的影响及解决方法
　　有的ADC芯片要外部提供参考源，这时外部参考源的供电，也需要参照前文所述的处理方法，采取在输入端加滤波等措施。同时注意，对连续逼近（SAR）型ADC芯片，如TLC2543芯片，采样、保持后的内部每次电压转换，都需要将采集电压和参考源的1/2、1/4、1/8等组合相比较，以确定相应n位ADC结果的第（n-1）位、第（n-2）位等，参考源的分压是通过电容实现的。
　　这样，对应转换每位均需要将参考源VREF通过开关接到相应分压电容上，对参考源而言，将看到一个变化的容性负载，从而产生了上文所说的问题。如果ADC芯片内部没有参考源缓冲电路，而外部参考源的容性负载能力又不够时，需要在外部参考源输出端，串一个缓冲器，再通过一个RC电路接到ADC芯片的参考源输入端。其它处理方法，同上文所述，如在外部参考源的电源端，并接一个10～22μF大电容和一个0.1～1μF的小陶瓷电容等。
本文小结
　　本文虽然针对SAR型ADC进行分析、处理，但其应用原理，对各种ADC都有参考价值。仔细分析各个环节的工作原理，采取一定的对策，就能在模拟量采集系统中，使用廉价的开关电源，而又获得极佳的采集性能。