開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[1]

  盡管在模擬量采集系統(tǒng)中，對ADC芯片等的供電一般建議最好不用開關(guān)電源，以避免其固有的紋波大、噪聲等問題，但開關(guān)電源仍以其高效率、低價格等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用，尤其是在工業(yè)控制等領(lǐng)域。本文介紹開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對可能出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行分析。

  開關(guān)電源對ADC芯片工作的影響及解決方法

  電源對ADC芯片的影響，除了體現(xiàn)在電源抑制比（PSRR）參數(shù)上，還表現(xiàn)在，當(dāng)ADC芯片對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣、保持、轉(zhuǎn)換時，電源電壓、參考地的變化，都會對ADC芯片內(nèi)部采樣電路、比較器等的工作產(chǎn)生影響，使得采集結(jié)果出現(xiàn)晃動。因此，一般ADC芯片特別是高精度ADC芯片，都建議最好用質(zhì)量好的線性電源供電。如果采用開關(guān)電源，則需要盡力避免它對ADC芯片產(chǎn)生影響。

  圖1是一個典型的應(yīng)用，其中模擬采樣用的信號調(diào)理電路、ADC和現(xiàn)場模擬信號不隔離，ADC芯片和CPU電源相互隔離。CPU采用控制系統(tǒng)內(nèi)部電源。而ADC的+5V電源是由+24V電源經(jīng)過+24V到+5V電源變換而來的。圖中左側(cè)部分是典型的串聯(lián)、降壓非隔離型DC-DC變換器的原理框圖。設(shè)計中，可以根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)頻率、+5V消耗電流、要求的輸出紋波最大值，計算出電感L1、電容C1的合適大小。

  為了分析出開關(guān)電源對ADC芯片的影響，這里假設(shè)信號調(diào)理電路及ADC芯片正常運行的耗電是25mA/+5V，對于光耦部分，如果采用6N136、TLP521等三極管輸出型的光耦，則當(dāng)CPU不啟動ADC工作時，光耦全不導(dǎo)通，耗電小于1mA；當(dāng)CPU啟動ADC工作時，將有數(shù)據(jù)輸出Dout、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好Ready等信號經(jīng)過光耦，光耦處于導(dǎo)通狀態(tài)，為了達(dá)到比較高的通訊速率，光耦總耗電需要25mA/+5V左右。這樣，+5V負(fù)載電流將在25～50mA之間來回變動。正常開關(guān)電源設(shè)計的輸出電流應(yīng)該2倍于最大負(fù)載電流，這里設(shè)為100mA，下面將要說明負(fù)載電流的變化將極大影響+5V，從而影響ADC采樣穩(wěn)定性。

  開關(guān)電源的工作原理是，平時Q1的周期性開關(guān)動作，再經(jīng)過L1、C1，得到所需要的輸出；而當(dāng)輸出+5V電壓發(fā)生上升/下降超過一定限度（如幾十毫伏），經(jīng)過采樣、反饋后，開關(guān)控制電路控制Q1的開關(guān)，使得輸出電壓向+5V回歸。在+5V負(fù)載比較恒定的情況下，輸出+5V的最大紋波，可以根據(jù)采樣反饋電路工作原理（比如MC34063是通過比較器和鎖存器來控制Q1的開關(guān)）、開關(guān)頻率等計算出來。

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