Geht eine höhere Genauigkeit?
Ja - Rausch- und welligkeitsarme Schaltungstechniken helfen!
Rauschempfindliche Systeme in medizinischen Anwendungen, Prüf- und Messsystemen oder Mobilfunk-Infrastruktur enthalten Taktbausteine, Datenwandler oder Verstärker und benötigen deshalb Stromversorgungen, die durch eine große Genauigkeit und Präzision sowie minimales Rauschen gekennzeichnet sind.
Der Begriff »Rauschen« kann abhängig vom jeweiligen Kontext unterschiedliche Bedeutungen haben. Im vorliegenden Fall soll darunter niederfrequentes thermisches Rauschen verstanden werden, das durch Widerstände und Transistoren in der Schaltung hervorgerufen wird. Quantifizieren lässt sich dieses Rauschen durch Angabe der spektralen Rauschdichte in der Einheit µV/√Hz oder als integriertes Ausgangsrauschen in µVRMS (meist über einen bestimmten Frequenzbereich wie z. B. von 10 Hz bis 100 kHz). Wenn die Stromversorgung ein Rauschen aufweist, kann dies die Leistungsfähigkeit von A/D-Wandlern beeinträchtigen und zu Taktjitter führen.
Als Stromversorgung für einen Taktbaustein, einen Datenwandler oder einen Verstärker wählt man üblicherweise einen DC/DC-Wandler oder DC/DC-Modul, gefolgt von einem Low-Dropout-Regler (LDO) wie dem TPS7A94, TPS7A82, TPS7A84, TPS7A52, TPS7A53 oder TPS7A54. Als letztes folgt eine als Filter fungierende Ferritperle, wie in Bild 1 gezeigt. Diese Konfiguration, die das Rauschen und die Welligkeit der Stromversorgung wirksam minimiert, bewährt sich für Lastströme bis ca. 2 A. Werden dagegen größere Ströme benötigt, lassen die im LDO entstehenden Verluste den Wirkungsgrad einbrechen, und außerdem gestaltet sich das Wärmemanagement schwieriger. Tatsächlich kann ein als Nachregler dienender LDO die Verluste in einer typischen AFE-Applikation um 1,5 W ansteigen lassen. Gibt es also keine Lösung, wenn ein Design angestrebt wird, das sowohl rauscharm als auch hocheffizient ist?
Ersatz des LDOs durch einen rauscharmen Abwärtswandler
Eine Möglichkeit, die Verluste in Grenzen zu halten, ist das Minimieren des Spannungsabfalls im LDO, was jedoch ungünstige Auswirkungen auf die Rauscheigenschaften hat. Hinzu kommt, dass LDOs, die für höhere Ströme ausgelegt sind, typischerweise größer sind und sich damit negativ auf den Platzbedarf und die Kosten auswirken. Die effektivste Möglichkeit, für ein niedriges Rauschniveau zu sorgen und gleichzeitig die Verluste einzugrenzen, ist es daher, ganz auf den LDO zu verzichten und stattdessen einen rauscharmen DC/DC-Wandler oder ein entsprechendes Modul einzusetzen (siehe Bild 2).
An dieser Stelle wäre die Frage angebracht, wie sich eine rauscharme Stromversorgung realisieren lässt, wenn der eigentlich zur Rauschminderung dienende Baustein weggelassen wird. Hierzu muss man wissen, dass viele LDOs einen Tiefpassfilter an der Bandabstandsreferenz enthalten, um das in den Fehlerverstärker gelangende Rauschen zu minimieren. Die rauscharmen Abwärtswandler der Familien TPS62912 und TPS62913 sowie die Module TPSM82912 und TPSM82913 besitzen einen Rauschreduzierungs-/Softstart-Pin, an dem ein Kondensator angeschlossen werden kann. Der interne Widerstand Rf ergibt gemeinsam mit dem externen Kondensator an CNR/SS einen RC-Tiefpassfilter (siehe Bild 3). Diese Implementierung ahmt im Prinzip das Verhalten des Bandgap-Tiefpassfilters in einem LDO nach. Soll das Rauschen noch weiter reduziert werden, als es mit dem TPS62913 oder TPSM82913 möglich ist, kann ein rauscharmer LDO wie der TPS7A94 gewählt werden, der einen reduzierten Spannungsabfall und eine geringere Verlustleistung aufweist, aber dennoch sehr rauscharm ist. Genaueres hierzu ist im App Brief SBVA099 nachzulesen.
Wie steht es mit der Welligkeit der Ausgangsspannung?
Die Ausgangsspannung jedes DC/DC-Wandlers weist eine Welligkeit bei seiner Schaltfrequenz auf. Rauschempfindliche analoge Systeme sind aber auf eine möglichst geringe Versorgungsspannungs-Welligkeit angewiesen, um die Frequenzspitzen in ihrem Spektrum zu minimieren. Diese Spitzen werden typischerweise durch die Schaltfrequenz des DC/DC-Wandlers, die Induktivitäts- und Kapazitätswerte, den äquivalenten Serienwiderstand und die äquivalente Serieninduktivität bestimmt. Um die aus diesen Komponenten resultierende Welligkeit einzudämmen, wird oftmals ein LDO eingesetzt und/oder eine kleine Ferritperle in Verbindung mit Kondensatoren zur Realisierung eines Pi-Filters benutzt, um die Welligkeit an der Last zu minimieren. Welligkeitsarme Abwärtswandler wie der TPS62912 und der TPS62913 sowie das Modul TPSM82913 nutzen diesen Ferritperlen-Filter. Hierzu enthalten sie eine Ferritperlen-Kompensation und eine Remote-Sense-Feedbackstufe. Die Induktivität der Ferritperle sorgt in Verbindung mit einem zusätzlichen Ausgangskondensator dafür, dass die hochfrequenten Komponenten der Ausgangsspannungs-Welligkeit eliminiert werden, und verringert die Welligkeit um etwa 30 dB, wie in Bild 4 zu sehen ist.
Zusammenfassung
Dank der Integration von Funktionseinheiten, die das Rauschen und die Welligkeit eindämmen, eignen sich rauscharme Abwärtswandler zur Realisierung rauscharmer Stromversorgungen, ohne dass ein LDO benötigt wird. Welche rauscharme Architektur im Einzelfall die beste ist, richtet sich nach den individuellen Anforderungen. Wenn es aber darum geht, das Design der Stromversorgung für rauschempfindliche analoge Systeme zu vereinfachen, die Verluste zu reduzieren und außerdem mit weniger Platz auszukommen, sind rauscharme Abwärtswandler zweifellos eine attraktive Option.
Weitere Ressourcen (Applikationsschriften):
- Powering Sensitive ADC Designs with the TPS62913 Low-Ripple and Low-Noise Buck Converter
- Powering the AFE7920 with the TPS62913 Low-Ripple and Low-Noise Buck Converter
- Einzelheiten zu den Auswirkungen der Ausgangsspannungs-Welligkeit bei der Verwendung von DC/DC-Wandlern enthält folgender Fachartikel: »Understanding and managing buck regulator output ripple«
- Über das Reduzieren des Rauschens und der Welligkeit mit Bausteinen wie dem TPS62913 informiert das folgende Schulungsvideo: »Low ripple & Low Iq DC/DC point-of-load buck converters«
- Weitere Möglichkeiten, die von Abwärtswandlern hervorgerufene Ausgangsspannungs-Welligkeit zu mindern, beschreibt das Whitepaper »Low-noise and low-ripple techniques for a high-efficiency, low-loss supply without an LDO«
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