在低噪聲數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，使用電源芯片的STOP 功能降低對(duì)采集信號(hào)干擾

1.前言

電磁噪聲是任何類型的采集設(shè)備都不需要的電磁能量，但其強(qiáng)度足以使信號(hào)失真。因此，在設(shè)計(jì)高性能數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序或任何具有特別敏感信號(hào)路徑的系統(tǒng)時(shí)，噪聲是不可戰(zhàn)勝的對(duì)手。

在電源方面，高效 DC/DC 轉(zhuǎn)換器因其基本工作原理而成為重要的噪聲源。它們既會(huì)在轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率下產(chǎn)生低頻紋波，又會(huì)產(chǎn)生由轉(zhuǎn)換器功率級(jí)中電壓和電流的快速開關(guān)引起的高頻噪聲。開關(guān)電源 模塊以其相對(duì)體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)整流電源。但是，由于開關(guān)電源工作頻率高，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率（即高dv／dt和di／df），導(dǎo)致開關(guān)電源模塊產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，并通過傳導(dǎo)、輻射和串?dāng)_等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)的正常工作，當(dāng)然其本身也會(huì)受到其它電子設(shè)備電磁干擾的影響，電磁干擾將造成傳輸信號(hào)畸變，影響電子設(shè)備的止常工作。對(duì)于雷電、靜電放電等高能量的電磁下擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞電子設(shè)備。而對(duì)于某些電子設(shè)備，電磁輻射會(huì)引起重要信息的泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅國家信息安全。這就是我們所討論的電磁兼容性問題。另外，國家開始對(duì)部分電子產(chǎn)品強(qiáng)制實(shí)行3C認(rèn)證，因此，一個(gè)電子設(shè)備能否滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場(chǎng)上銷售，所以，進(jìn)行開關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。

2.如何降低電磁噪聲

與開關(guān)穩(wěn)壓器結(jié)合使用的降噪技術(shù)示例包括實(shí)施額外的濾波無源元件，如緩沖電路、鐵氧體磁珠和穿心電容器，或在電源路徑中包含線性電源，如低壓差穩(wěn)壓器。雖然這些方案適用于大多數(shù)應(yīng)用，但它們可能會(huì)在效率、解決方案尺寸以及整個(gè)電源解決方案的成本方面進(jìn)行權(quán)衡，尤其是在患者監(jiān)護(hù)儀、智能儀表、智能傳感器和互聯(lián)網(wǎng)等始終在線的應(yīng)用中物系統(tǒng)。

在數(shù)據(jù)采集和/或射頻 (RF) 通信事件期間，許多應(yīng)用肯定會(huì)受益于無噪聲環(huán)境。然而，電源設(shè)計(jì)人員需要考慮效率（換言之，電池壽命）、電路板空間和組件成本的權(quán)衡是否對(duì)他們的設(shè)計(jì)有意義。在可能會(huì)出現(xiàn)問題的情況下，現(xiàn)代 DC/DC 轉(zhuǎn)換器確實(shí)提供了有助于減少設(shè)計(jì)妥協(xié)影響的功能。一個(gè)例子是TPS62840  DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它是一種超低 (60nA ) 靜態(tài)電流、高效率、750mA 降壓穩(wěn)壓器，旨在最大限度地延長始終在線應(yīng)用中的電池壽命。

該TPS62840的STOP輸入引腳（見圖1）停止調(diào)節(jié)器（之后的電流開關(guān)周期）立即切換兩者和暫時(shí)的。在此期間，存儲(chǔ)在輸出電容器中的電荷為應(yīng)用供電；穩(wěn)壓器絕對(duì)不會(huì)產(chǎn)生紋波或開關(guān)噪聲。在這些條件下，應(yīng)用程序可以執(zhí)行無失真、精確的數(shù)據(jù)采集和 RF 通信程序。

圖 1：顯示 STOP 輸入引腳的典型應(yīng)用電路

當(dāng)然，重要的是要設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使設(shè)備在其輸出電壓達(dá)到系統(tǒng)臨界水平之前重新開啟。一旦向 STOP 引腳施加邏輯低電平，穩(wěn)壓器將立即恢復(fù)開關(guān)操作，沒有任何啟動(dòng)和/或軟啟動(dòng)延遲。圖 2 說明了在脈沖頻率調(diào)制 (PFM)（圖 2a）或強(qiáng)制脈沖寬度調(diào)制 (PWM)（圖 2b）中操作 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 STOP 功能。

圖 2：TPS62840 的 STOP 模式操作（其中藍(lán)色是 STOP 引腳的輸入信號(hào)，品紅色是輸出電壓，綠色是電感器電流），其中 V IN = 3.6 V、V OUT = 1.8 V 且 I OUT = 10 mA 在 PFM 操作 (a) 中；和強(qiáng)制 PWM 操作 (b)。測(cè)量值包括 C OUT = 10 μ F。

在 STOP 模式下進(jìn)行無噪聲測(cè)量/RF 通信事件的時(shí)間取決于設(shè)置的輸出電壓 V OUT,SET、輸出電容器值 C OUT、所需的輸出電流 I OUT和應(yīng)用的電壓容限。在圖 2 的示例中（V IN = 3.6 V，V OUT,SET = 1.8 V，I OUT = 10 mA，C OUT = 10 μF），在時(shí)間 t = 38 μs 后達(dá)到約 50 mV 的壓降. 在一個(gè)恒定的輸出電流I的情況下OUT放電輸出電容器C OUT，可以估算輸出電壓行為V OUT（T）在STOP模式作為與等式1的時(shí)間t的函數(shù)：

V OUT (t) = V OUT,SET – I OUT × t / C OUT                                (1)

在設(shè)計(jì)具有強(qiáng)噪聲控制要求的常開應(yīng)用的電源架構(gòu)時(shí)，請(qǐng)務(wù)必檢查TPS62840的 STOP 功能。結(jié)合其他特性，例如在低至 I OUT = 1 μA 的輸出電流下實(shí)現(xiàn) 80% 的輕負(fù)載效率，或者通過連接到 VSET 引腳的單個(gè)電阻器在 16 個(gè)預(yù)定義輸出電壓之間進(jìn)行選擇的可能性，TPS62840可能有助于最大限度地提高系統(tǒng)的電池壽命，同時(shí)最大限度地減少所需的附加組件的數(shù)量。