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Bipolare Stromversorgungen für Test- und Messsysteme

| Autor / Redakteur: Alan Walsh * / Kristin Rinortner

Bild 1: Stromversorgung für ein nicht isoliertes bipolares Versorgungssystem (±15 V und ±5 V) mit geringer Welligkeit der Versorgungsspannung.
Bild 1: Stromversorgung für ein nicht isoliertes bipolares Versorgungssystem (±15 V und ±5 V) mit geringer Welligkeit der Versorgungsspannung. (Bild: ADI)

Stromversorgungen für Messsysteme müssen störungsarm sein. Das erfordert wiederum Platz auf der Leiterplatte. Der Beitrag skizziert Lösungen, mit denen sich ein guter Kompromiss erzielen lässt.

Datenerfassungssysteme und Digitalmultimeter benötigen störungsarme Stromversorgungen, damit die Leistungsfähigkeit der hochauflösenden ADC-Signalketten erhalten bleibt und Beeinträchtigungen durch störende Restwelligkeit (Ripple) von Schaltnetzteilen vermieden werden. SMUs (Source Measure Units) und Gleichstromquellen/Netzteile stellen ähnliche Forderungen an die Ausgangswelligkeit in hochauflösenden DAC-Signalketten.

Bei Präzisions-Prüf- und Messgeräten ist ein Trend zu höheren Kanalzahlen zu verzeichnen, um Aufgaben parallel durchzuführen. In elektrisch isolierten Anwendungen haben diese Mehrkanalgeräte einen zunehmenden Bedarf an Kanal-zu-Kanal-Isolation, bei der Strom pro Kanal erzeugt werden muss. Dies treibt Lösungen voran, die bei gleichbleibender Leistung immer weniger Platz benötigen.

Die Implementierung störungsarmer Stromversorgungen in diesen Anwendungen kann mehr Platz auf der Leiterplatte als zunächst gewünscht benötigen und/oder durch übermäßigen Einsatz von LDO-Reglern oder Filterschaltungen den Wirkungsgrad herabsetzen.

So wäre beispielsweise bei einer Schaltnetzteilschiene mit einer Welligkeit von 5 mV bei 1 MHz ein kombinierter Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) von 60 dB oder mehr von einem LDO-Regler und einem eingeschalteten A/D-Wandler nötig, um die Schaltwelligkeit am ADC-Ausgang auf 5 μV oder weniger zu senken. Dies wäre ein Bruchteil eines LSB für einen hochauflösenden 18-Bit-ADC.

Es gibt jedoch Lösungen, die diese Aufgabe durch die höhere Integrationsdichte von Bausteinen vereinfachen. Chips vom Typ μModule bieten einen höheren Wirkungsgrad bei gleichzeitig verringerten abgestrahlten Störungen und geringerer Schaltwelligkeit. Zu nennen sind hier zum Beispiel Silent Switcher und LDO-Regler mit hohem Versorgungsspannungsdurchgriff.

Viele Präzisions-Prüf- und Messgeräte, wie SMUs, oder Stromversorgungen erfordern einen Mehrquadranten-Betrieb, um positive und negative Signale zu erfassen und zu messen. Dazu müssen sowohl negative als auch positive Versorgungsspannungen aus einem einzigen positiven Versorgungseingang mit geringem Rauschen effizient erzeugt werden. Stellen Sie sich ein System vor, das eine bipolare Spannung aus einer einzigen positiven Eingangsversorgung erzeugt.

Bild 1 zeigt Stromversorgungen, die ±15 V und ±5 V erzeugen und positive sowie negative LDO-Regler nutzen, um die Schaltwelligkeit zu filtern/reduzieren sowie zusätzliche Spannungsschienen wie 5, 3,3 oder 1,8 V zur Versorgung von Signalaufbereitung oder A/D-Wandler und D/A-Wandler zu erzeugen.

Entwicklung unterschiedlicher Stromversorgungen

Die hier gezeigten Stromschienen wurden mit dem Systemdesigner von LTpowerCAD entworfen, der die Entwicklung von unterschiedlichen Stromversorgungen erheblich vereinfacht.

Die Bausteine LTM8049 und ADP5070/ADP5071 ermöglichen es, einen einzelnen positiven Eingang auf die erforderliche positive Versorgung zu verstärken und zu invertieren, um die negative Versorgungsschiene zu erzeugen. Der LTM8049 ist eine μModule-Lösung, welche die Anzahl der dafür benötigten Komponenten senkt – zusätzlich sind nur noch die Ein- und Ausgangskondensatoren erforderlich.

Der LTM8049 vereinfacht nicht nur die Entwicklung hinsichtlich Bauteilauswahl und Leiterplattenlayout für Schaltregler, sondern minimiert auch den Platz auf dem Board sowie die Zahl der für bipolare Versorgungen benötigten Bausteine. Wenn hohe Effizienz bei kleineren Lasten (<~100mA) gefordert ist, sind die Bauteile ADP5070/ADP5071 die bessere Wahl. Die Lösung mit dem ADP5070 benötigt zwar mehr externe Komponenten (Induktivitäten und Dioden), ermöglicht aber eine bessere individuelle Anpassung der Stromversorgungslösung.

Sowohl der ADP5070 als auch der LTM8049 haben Synchronisationspins, mit denen sich die Schaltfrequenz mit dem Takt eines A/D-Wandlers synchronisieren lässt, um ein Umschalten der internen FETs während kritischer Zeiträume für einen ADC zu vermeiden. Der hohe Wirkungsgrad dieser Regler bei einem Laststrom von wenigen 100 mA prädestiniert die Bausteine zur Versorgung von Präzisionsmessgeräten.

Der LT3032 enthält einen positiven sowie einen negativen rauscharmen LDO-Regler in einem Gehäuse und eignet sich für einen großen Arbeitsbereich. Beide LDOs sind so konfiguriert, dass sie mit minimaler Reserve (~0,5 V) arbeiten, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen und gleichzeitig eine gute Welligkeitsunterdrückung der Schaltreglerstufe sicherzustellen.

Beide Regler werden in kleinen LFCSP-Gehäusen angeboten, welche den Platzbedarf auf der Leiterplatte sowie die Zahl der erforderlichen Bauteile verringern. Falls der LDO-Regler wesentlich höhere Werte beim Versorgungsspannungsdurchgriff bieten muss, um die Schaltwelligkeit im MHz-Bereich weiter zu verringern, sollten Entwickler LDO-Regler wie die Modelle LT3094/LT3045 in Betracht ziehen.

Welcher PSRR-Wert in der LDO-Stufe erforderlich ist, hängt vom PSRR-Wert der Bausteine – A/D-Wandler, D/A-Wandler und Verstärker – ab, die über die Versorgungsschienen versorgt werden. Im Allgemeinen sind LDO-Regler mit höheren PSRR-Werten aufgrund des höheren Ruhestroms weniger effizient.

Isolierte bipolare Stromversorgungen

Bild 2: Stromversorgung für ein isoliertes bipolares Versorgungssystem mit geringer Welligkeit der 
Versorgungsspannung.
Bild 2: Stromversorgung für ein isoliertes bipolares Versorgungssystem mit geringer Welligkeit der 
Versorgungsspannung. (Bild: ADI)

Muss ein Präzisions-Prüf- und Messgerät aus Sicherheitsgründen isoliert werden, muss eine genügend hohe Leistung über die Isolationsbarriere effizient bereitgestellt werden. In mehrkanaligen isolierten Messgeräten bedeutet Kanal-zu-Kanal-Isolation eine Stromversorgung pro Kanal. Dies erfordert eine kompakte Versorgung, die Energie effizient liefern kann. Bild 2 zeigt eine Lösung, die eine isolierte Leistung mit bipolaren Versorgungsschienen bereit stellt.

Der isolierte Schaltregler ADuM3470 und der isolierte DC/DC-Wandler LTM8067 liefern über die Isolationsstrecke bis zu ~400 mA bei einem mit 5 V isoliertem Ausgang mit hohem Wirkungsgrad. Beim LTM8067 handelt es sich um eine µModul-Lösung mit integriertem Transformator und Bauteilen, die die die Zahl der Bausteine auf der Leiterplatte minimieren. Für den LTM8067 ist eine Isolationsspannung von bis zu 2 kVeff. spezifiziert.

Für eine noch geringere Ausgangswelligkeit beinhaltet der LTM8068 ausgangsseitig einen LDO-Regler, welcher die Ausgangswelligkeit von 30 mVeff. auf 20 μVeff. auf Kosten eines geringeren Ausgangsstroms von 300 mA verringert.

Die Digitalisolatoren der Familie ADuM3470 nutzen einen externen Transformator um die Isolation bereitzustellen und verfügen über digitale Isolationskanäle für die Datenübertragung und Steuerung von A/D-Wandlern und D/A-Wandlern. Je nach Konfiguration der Isolation kann der isolierten Ausgangsleistung ein Leistungsbaustein ähnlich Bild 1 nachgeschaltet werden (Bild 2), um ±15-V-Schienen auf der isolierten Seite aus einer positiven Versorgungsspannung zu erzeugen.

Alternativ lässt sich der ADuM3470 so konfigurieren, dass er bipolare Versorgungen direkt und ohne zusätzliche Schaltstufe erzeugt. So ergibt sich eine Lösung mit weniger Platzbedarf auf der Leiterplatte, allerdings mit geringerer Effizienz. Der ADuM3470 isoliert bis zu 2,5 kVeff, wobei die Familie ADuM4470 eine höhere Spannungsisolation bis zu 5 kVeff erreicht.

Bild 3: Stromversorgung zum Abwärtswandeln auf Spannungsschienen mit geringerer Spannung und niedrigem EMI-Niveau.
Bild 3: Stromversorgung zum Abwärtswandeln auf Spannungsschienen mit geringerer Spannung und niedrigem EMI-Niveau. (Bild: ADI)

Effiziente Abwärtswandlung mit Silent Switcher

Die Stromversorgung in Bild 1 nutzt einen LDO-Regler, um eine Spannung von 15 V auf 5/3,3 V zu wandeln. Zur Erzeugung der Niedervoltspannungsschienen ist dies nicht sehr effizient. Eine Variante mit besserer Effizienz beim Abwärtswandeln zeigt Bild 3 mit dem LTM8074.

Der LTM8074 ist ein µModule-Abwärtsregler mit Silent-Switcher-Architektur im 4 mm × 4 mm großen BGA-Gehäuse. Das Bauteil kann bis zu 1,2 A liefern und erzeugt nur geringe Störungen. Die Silent-Switcher-Technologie eliminiert durch Schaltströme erzeugte Streufelder und verringert somit abgestrahlte Störungen. Aufgrund der hohen Effizienz und der sehr niedrigen Störaussendungen ist das Bauteil eine gute Wahl, wenn störempfindliche Präzisions-Signalketten versorgt werden sollen.

Je nach PSRR-Wert der an die Ausgangsversorgung angeschlossenen Bauteile wie Verstärker, DAC oder ADC ist es möglich, diese direkt vom Silent-Switcher-Ausgang zu versorgen, ohne dass ein LDO-Regler die Welligkeit der Versorgungsspannung weiter filtert.

Aufgrund des hohen Ausgangsstromes von 1,2 A lässt sich der µModule-Abwärtsregler bei Bedarf auch zur Versorgung der digitalen Hardware in einem System wie beispielsweise einem FPGA verwenden.

Ist eine größere individuelle Anpassung auf Kosten der Leiterplattenfläche erforderlich, lässt sich eine diskrete Implementierung eines Silent-Switcher-Bausteins mit dem LT8609S erreichen. Diese Produkte verfügen über einen Spreizspektrum-Modus, um die Welligkeit der Schaltfrequenz über ein Frequenzband zu verteilen. Dies verringert die Amplitude der Störfrequenzen, die in einem Präzisionssystem aus den Versorgungen auftauchen.

Die Silent-Switcher-Technologie in Verbindung mit dem hohen Integrationsgrad der μModule-Lösungen bewältigen die Herausforderung, die steigenden Anforderungen an die Packungsdichte für Präzisionsanwendungen mit sich bringen, ohne die von den Systementwicklern zu erreichende hohe Auflösung und Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.

Fazit: Der Aufbau bipolarer Stromversorgungen mit Isolation für präzise elektronische Test- und Messsysteme kann ein Balance­akt zwischen Systemleistung, geringem Platzbedarf und Energieeffizienz sein. Mit den richtigen Lösungen lassen sich diese Herausforderungen meistern.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 23/2019 (Download PDF)

* Alan Walsh ist Systemingenieur bei Analog Devices in Dublin / Irland.

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