开关电源在模拟量采集系统中的应用

1、开关电源在模拟量采集系统中的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 AD

2、C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 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

3、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 2550mA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。

4、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

5、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

6、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。图 1 ：开关电源在模拟量采集系统中的典型应用图比较好的解决办法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 s，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，

7、 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。

8、 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 10 左右，电容取 10 F 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

9、。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

10、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 （5V10-5V）/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

11、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 100 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/100 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

12、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 1022F 大电容以减少电源纹波外， 再 并接一个 0.11 F的小陶瓷电容， 以通过 0.11 F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