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精密直流电源滤波器设计的实际挑战和考虑

文章来源:稳压电源公司,时间:2017-09-12 09:47    点击量:

    简介精密直流电源应用广泛,如仪器仪表和测量、电力线继电保 护、过程控制、电机控制等.目前,SAR 型直流电源的分辨率可 达18 位甚至更高,采样速率为数MSPS;Σ-Δ 型直流电源的分辨 率则达到24 位甚至32 位,采样速率为数百kSPS.为了充分利用高性能直流电源而不限制其能力,用户在降低信号链噪声方 面(例如实现直流电源滤波器)面临的困难越来越多.

精密直流电源滤波器设计的实际挑战和考虑
    本文讨论在直流电源信号链中实现模拟和数字直流电源滤波器以便达到最 佳性能所涉及到的设计挑战和考虑.如图1 所示,数据采集信 号链可以使用模拟或数字滤波技术,或两者的结合.精密SAR 型和Σ-Δ 型直流电源一般在第一奈奎斯特区进行采样,因此,本 文将着重讨论低通直流电源滤波器.本文的意图不是讨论低通直流电源滤波器的 具体设计技术,而是讨论其在直流电源电路中的应用.

    一般数据采集信号链图1.一般数据采集信号链理想直流电源滤波器和实际直流电源滤波器理想低通直流电源滤波器应当具有很陡的过渡带,其通带应具有出色的 增益平坦度,如图2 中的砖墙虚线所示.此外,阻带衰减应将 任何残余带外信号降低至0.某些常用实际直流电源滤波器的响应如图2 中的彩色线条所示.如果通带增益不平坦或有纹波,这种响应 可能会影响基频信号.阻带衰减不是无限的,会限制对带外噪 声的筛选.过渡带也可能没有陡峭的滚降,导致对截止频率周 围的噪声衰减不佳.另外,所有非理想直流电源滤波器都会引入相位延 迟或群延迟.

    模拟直流电源滤波器与数字直流电源滤波器模拟低通直流电源滤波器可以在直流电源转换之前消除信号路径中的高频 噪声和干扰,帮助避免混叠噪声污染信号.它还能消除直流电源滤波器 带宽之外的过驱信号的影响,避免调制器饱和.发生输入过压 时,模拟直流电源滤波器还能限制输入电流,衰减输入电压.因此,它 能保护直流电源输入电路.叠加于接近满量程信号上的噪声尖峰 可能会让直流电源的模拟调制器饱和,必须利用模拟直流电源滤波器将其 衰减.

    由于数字滤波发生在转换之后,因而可以移除转换过程中注入 的噪声.在实际应用中,采样速率远高于奈奎斯特理论指出的 两倍基频信号频率.因此,后置数字直流电源滤波器可以利用针对更高 信噪比和更高分辨率的滤波技术来降低转换过程中注入的噪 声,例如:信号带宽之外的输入噪声、电源噪声、基准源噪声、 数字接口馈通噪声、直流电源芯片热噪声或量化噪声.

    表1简要列出了模拟直流电源滤波器与数字直流电源滤波器的优点和缺点.

    表1.模拟直流电源滤波器与数字直流电源滤波器模拟直流电源滤波器 数字直流电源滤波器设计复杂度高(对于高性能直流电源滤波器)低成本高(取决于所选模拟元件)低(可用CPU时间)延迟低 高加性噪声增加带内元件热噪声 量化可能会引入数字噪声ADC输入保护是 否可编程否 是漂移误差是 否陈化是 否多通道匹配误差 是 否模拟直流电源滤波器考虑抗混叠直流电源滤波器放在直流电源之前,因此这些直流电源滤波器必须为模拟滤 波器.理想抗混叠直流电源滤波器具有如下特性:通带内具有单位增益, 无增益变化,混叠衰减水平与所用数据转换系统的理论动态范 围一致.

    根据架构不同,直流电源会有不同的输入电阻,这会影响输入滤 波器设计.以下考虑关系到直流电源模拟输入直流电源滤波器的设计.

    与直流电源前端接口的RC 抗混叠直流电源滤波器的限制在Alan Walsh 为Analog Dialogue 杂志撰写的文章"精密SAR 型直流电源的前端和放大器和RC 直流电源滤波器设计" 中,有一个针对AD7980直流电源的RC 直流电源滤波器应用示例,如图3 所示.

    算出的RC 直流电源滤波器是一个低通直流电源滤波器,截止带宽为3.11 MHz. 但是,某些设计人员可能会意识到,3.11 MHz 远大于100 kHz 的输入信号频率,因此,该直流电源滤波器无法有效降低带外噪声.为 实现更高动态范围,可以换用590 Ω 电阻,以获得100 kHz 的 –3 dB 带宽.这种方法主要有两个问题.由于通带中会有更多 衰减,对于AD7980 直流电源示例,100 kHz 附近的幅度衰减最高 可达30%,因此,信号链精度会大大降低.带宽越小,则建立 时间越长,这使得AD7980 的内部采样保持电容无法在指定的 采集时间内完成充电,因而无法执行下一次有效转换.这导致 直流电源转换精度降低.

    设计人员应当确保直流电源之前的RC 直流电源滤波器能在目标采集时间内 完全建立.这对需要较大输入电流或具有等效的较小输入阻抗 的精密直流电源来说异常重要.某些Σ-Δ 型直流电源在无缓冲输入模 式下对输入RC 值的要求最高.可以将具有较大电阻或电容的超 窄低通直流电源滤波器放在一般具有较大输入阻抗的输入放大器之前. 或者可以选择具有极高输入阻抗的ADC,例如ADAS3022其 输入阻抗为500 MΩ.

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