設(shè)計(jì)目標(biāo)

目標(biāo)：從 +5V 供電電源產(chǎn)生 ±15V 精密電源。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

部分精密類(lèi)比轉(zhuǎn)數(shù)位轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)位轉(zhuǎn)類(lèi)比轉(zhuǎn)換器 (DAC) 需要高電壓電源才能運(yùn)作。此類(lèi)比工程師的電路描述了可用於高電壓精密資料轉(zhuǎn)換器的精密、高電壓供應(yīng)電路。在此設(shè)計(jì)中，推拉式驅(qū)動(dòng)器使用現(xiàn)成的中心抽頭變壓器，首先將 +5V 電源輸入升壓至約 ±20V。在此輸出後，雙輸出低壓差 (LDO) 電壓穩(wěn)壓器可為 ±15V 電源設(shè)定輸出?？删幊踢壿嬁刂破?(PLC)、類(lèi)比輸入和類(lèi)比輸出等多種應(yīng)用，都需要高電壓以進(jìn)行輸入量測(cè)或輸出驅(qū)動(dòng)。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1. 此電路由 USB 主機(jī)連接埠的 5V 額定電源驅(qū)動(dòng)。請(qǐng)注意確保 USB 電壓夠高，並防止超過(guò) USB 連接埠的電流限制。
   1. USB 1.0、1.1 和 2.0 的電壓輸出最低為 4.75V。若在高電流下使用 USB-C，此電壓可低至 4.5V。
   2. USB 1.0、1.1 和 2.0 的電流輸出能力為 500mA。部分 USB 充電埠可提供更高的電流輸出。USB-C 連接埠的輸出電流最高可達(dá) 3A。
   3. 若供電電源輸出電壓低於預(yù)期，可將降壓升壓電路加入輸入以正常運(yùn)作。
2. 高電壓輸出源自 5V 電源，由 SN6505B 驅(qū)動(dòng)的變壓器驅(qū)動(dòng)。SN6505B 低雜訊變壓器驅(qū)動(dòng)器以小巧體積的隔離式電源供應(yīng)器為目標(biāo)，並可將小巧的中心抽頭變壓器從 2.25V 驅(qū)動(dòng)至 5.5V dc 電源供應(yīng)。此變壓器驅(qū)動(dòng)器在推拉式轉(zhuǎn)換器中運(yùn)作，將輸入電壓升高。
3. 推拉式轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)如以下電路圖所示，其中變壓器匝數(shù)約為 n = 2。如此可將 5V 輸入電壓升壓至約 ±20V。
   

   SN6505B 會(huì)從切換 D1 和 D2 建立切換週期。這些週期會(huì)推動(dòng)或拉電流經(jīng)過(guò)中心抽頭變壓器。切換週期交替，以設(shè)定超出整流器二極體的正負(fù)電壓輸出。下圖顯示切換週期期間透過(guò)輸出的電流路徑。

   
4. SN6505B 精密內(nèi)部振盪器的額定運(yùn)作頻率為 420kHz，但如果此頻率干擾電路板上的其他電路，則可以使用外部振盪器。另一個(gè)選項(xiàng)使用類(lèi)似的 SN6505A，其具有 160kHz 內(nèi)部振盪器。
5. 設(shè)定 SN6505B 變壓器驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要考慮以下事項(xiàng)：
   1. 在變壓器驅(qū)動(dòng)器輸入處使用 4.7μF 或更高的低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 旁路電容器。
   2. 在 1μF 到 10μF 的整流器輸出處使用大型電容器。
   3. 為了防止變壓器在飽和下運(yùn)作，請(qǐng)使用 SN6505B 操作參數(shù)檢查變壓器的 V-t 產(chǎn)品。變壓器最小 V-t 產(chǎn)品會(huì)根據(jù)裝置提供的最大電壓，以及各切換週期的最大時(shí)間來(lái)計(jì)算。最大電壓是使用 5V 額定轉(zhuǎn)換器輸入並增加 10% 來(lái)計(jì)算。向一級(jí)施加此電壓的最大時(shí)間是最低頻率週期的一半。對(duì)於 SN6505B，內(nèi)部振盪器的最小頻率為 363kHz。SN6505B 的 V-t 產(chǎn)品計(jì)算為 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. 推薦的變壓器為 Würth Elektronik? 760390015 變壓器，電感為 475μH。此變壓器的 V-t 產(chǎn)品為 11V-μs，高於先前計(jì)算的 7.6V-μs V-t 產(chǎn)品。N1 + N2:N3 + N4 的匝數(shù)比為 1:2。此變壓器列於 SN6505x 低雜訊 1A 變壓器驅(qū)動(dòng)器，適用於隔離式電源供應(yīng)器產(chǎn)品規(guī)格表中，此表位於針對(duì)裝置最佳化的推薦隔離變壓器表。
   5. 使用具有高反向崩潰電壓的低正向電壓肖特基二極體。為此電路選擇 MBR0580-TP（具 80V 反向崩潰電壓）。
   6. SN6505B 的最小電流箝位限制為 1.42A。此箝位會(huì)限制電流進(jìn)入變壓器。不過(guò)，變壓器產(chǎn)品規(guī)格表輸出電流圖顯示的最大電流為 0.7A。此電路的測(cè)試僅限於 500mA。
6. 建立 ±20V 升壓電路後，使用 TPS7A3901 雙正負(fù) LDO 以產(chǎn)生 ±15V 電源輸出。如需有關(guān)此 LDO 的詳細(xì)資訊，請(qǐng)參閱 TPS7A39 雙路、150mA、寬 V_IN 正負(fù) LDO 電壓穩(wěn)壓器產(chǎn)品規(guī)格表。
   1. LDO 最大輸出限制為 150mA（從正輸出供應(yīng)電流和從負(fù)輸出灌電流）。但是，此電路會(huì)在最大輸出電流 50mA 下進(jìn)行測(cè)試。
   2. EN 針腳可作為啟用 LDO 的正常電源功能。最小啟用電壓為 2.2V。EN 針腳的電壓由 499kΩ 至 100kΩ 電阻分壓器產(chǎn)生，由變壓器的正 20V 輸出進(jìn)行連接。
   3. LDO 的輸出可使用電阻分壓器調(diào)整至回饋輸入針腳。正 LDO 的回饋輸入設(shè)定在 FBP 針腳。輸出是透過(guò)決定輸出電壓的電阻分壓器，將 V_FBP 提升為 1.188V 來(lái)設(shè)定。下圖顯示正 LDO 輸出。
      
      從 15V 的輸出和從 FBP 到接地的 10kΩ 電阻開(kāi)始，頂部電阻器可以透過(guò)以下計(jì)算得出：
      $\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)\times 1.188\mathrm{V}=\mathrm{ }15\mathrm{V}$
      ${\mathrm{R}}_1=(12.62\mathrm{ }\times 10\mathrm{k}\mathrm{\Omega })-10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
      ${\mathrm{R}}_1=116.2\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
      使用 1% 標(biāo)準(zhǔn)電阻值，選擇 R1 為 118kΩ。因此，正 LDO 輸出值為 15.21V。
   4. 同樣地，負(fù) LDO 輸出也源自 BUF 針腳內(nèi)部電壓參考輸出緩衝器的電壓分壓器。負(fù) LDO 的回饋輸入設(shè)定在 FBN 針腳。此 V_FBN 電壓通常為 3.7mV。
      
      從 –15V 的輸出及從 BUF 至 FBN 的 10kΩ 電阻器開(kāi)始，底部電阻器可以透過(guò)以下計(jì)算得出：
      $\frac{{\mathrm{R}}_2}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\left(1.19\mathrm{V}-3.7\mathrm{m}\mathrm{V}\right)+3.7\mathrm{m}\mathrm{V}=-15\mathrm{V}$
      ${\mathrm{R}}_2=\frac{\left(15\mathrm{V}-3.7\mathrm{m}\mathrm{V}\right)\times 10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{1.1863\mathrm{V}}$
      ${\mathrm{R}}_2=126.4\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
      使用另一個(gè) 1% 標(biāo)準(zhǔn)電阻值，選擇 R2 為 127kΩ。計(jì)算出負(fù) LDO 的值約為 -15V。此設(shè)定的額定值計(jì)算為 –15.07V。
   5. TPS7A3901 正壓降電壓通常為 175mV，最大值為 300mV。負(fù)壓降電壓通常為 –145mV，最小值為 –250mV。這兩種壓降電壓均指定分別供應(yīng)電流 50mA 和灌電流 50mA。
   6. CNR/SS 針腳用於降低低頻雜訊。為此針腳選擇 10nF 電容器。CFFP 和 CFFN 電容可用於降低中頻雜訊。
   7. 雖然此應(yīng)用顯示未非隔離電源，但可透過(guò)分離變壓器任一側(cè)的接地來(lái)將電路做為工業(yè)應(yīng)用的隔離電源使用。

測(cè)量結(jié)果

電路透過(guò) ADS125H02EVM 上的雙電源進(jìn)行測(cè)試。雖然此評(píng)估模組針對(duì)精密 ADC，但此電源也可用於精密 DAC，例如 DAC81404 或 DAC8760。

5V 電源提供輸入。推拉式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是在 LDO 輸入處測(cè)量。此外也會(huì)測(cè)量 LDO 的輸出。下表列出了這些測(cè)量結(jié)果。

由於輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)輸入電壓，因此輸出負(fù)載電流仍遠(yuǎn)小於輸入電流。TPS7A3901 雙 LDO 經(jīng)過(guò)電阻負(fù)載測(cè)試，從正 LDO 輸出供應(yīng)電流，並從負(fù) LDO 輸出灌電流。下圖顯示 5V 電源的輸入電流與 ±15V 電源輸出電流負(fù)載間的關(guān)係。

根據(jù)建構(gòu)電路的測(cè)量結(jié)果，輸入電流比輸出負(fù)載電流大八倍以上。對(duì)於供應(yīng)電流 500mA 的標(biāo)準(zhǔn) USB 2.0 連接埠，±15V 電源的最大輸出電流約為 60mA。

此外，電路輸出效率低於測(cè)量值。輸入功率由 5V 電源計(jì)算，並記錄供應(yīng)電流。接著輸出功率由 ±15V 電源計(jì)算，且也會(huì)記錄輸出負(fù)載電流。這些值會(huì)在不同的輸出負(fù)載下繪製，以確保功率效率。此電路負(fù)載電流為 50mA 時(shí)，效率測(cè)量值為 73%。效率結(jié)果如下圖所示。

推薦用於本設(shè)計(jì)的裝置

使用參數(shù)搜尋工具或其它具有此精密 ADC 的 ADC 裝置，尋找其它可能的 DAC 裝置。

設(shè)計(jì)參考

請(qǐng)參閱類(lèi)比工程師的電路寶典，了解 TI 全方位的電路庫(kù)。

其他資源

• 德州儀器，ADS125H02 評(píng)估模組使用者指南
• 德州儀器，PLC I/O 模組的隔離式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其他低功耗應(yīng)用產(chǎn)品概覽
• 德州儀器，以一個(gè) LDO 為雙電源運(yùn)算放大器電路供電
• 德州儀器，Precision Labs 系列：數(shù)位轉(zhuǎn)類(lèi)比轉(zhuǎn)換器 (DAC)
• 德州儀器，Precision Labs 系列：類(lèi)比轉(zhuǎn)數(shù)位轉(zhuǎn)換器 (ADC)

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