儀器儀表作為精密測(cè)量、數(shù)據(jù)分析的核心設(shè)備,其性能直接依賴電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、噪聲控制能力和功能適配性。
儀器儀表測(cè)量核心電源需求
低噪聲、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求
精密測(cè)量場(chǎng)景對(duì)電源噪聲的容忍度極低,例如7位半數(shù)字萬(wàn)用表的噪聲要求需達(dá)到納伏級(jí),微小的電壓波動(dòng)都會(huì)直接影響測(cè)量精度。電源噪聲的來(lái)源主要包括電路自身的熱噪聲、開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)噪聲,以及外部電磁干擾耦合產(chǎn)生的干擾噪聲。這些噪聲在頻率分布上呈現(xiàn)多頻段特征,低頻頻段以熱噪聲為主,中高頻段則以開(kāi)關(guān)噪聲和電磁干擾噪聲為主,需針對(duì)性抑制。同時(shí),儀器儀表在切換測(cè)量量程、負(fù)載突變時(shí),要求電源具備快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,避免因電壓跌落或過(guò)沖導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)失真。
多電壓軌供給需求
現(xiàn)代儀器儀表的信號(hào)鏈、驅(qū)動(dòng)電路等不同模塊,對(duì)電源電壓的需求呈現(xiàn)多樣化特征。一方面,運(yùn)算放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等精密器件常需要對(duì)稱的正負(fù)電源軌供電,以保證信號(hào)輸出的線性范圍和零點(diǎn)穩(wěn)定性;另一方面,高壓程控電源模塊、高壓傳感器等組件則需要穩(wěn)定的高壓電源軌,且需支持電壓值的精確編程與調(diào)節(jié)。此外,部分高壓應(yīng)用場(chǎng)景中,電源軌還需具備電氣隔離功能,避免高壓串?dāng)_損壞低壓控制電路,同時(shí)保障操作安全。
精準(zhǔn)溫控需求
儀器儀表中的核心器件如激光器、探測(cè)器、晶振等,其性能參數(shù)對(duì)溫度變化極為敏感,溫度漂移會(huì)直接導(dǎo)致測(cè)量精度下降。半導(dǎo)體制冷(TEC)技術(shù)憑借體積小、控溫精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì),成為儀器儀表溫控的主流選擇。其工作原理基于珀?duì)柼?yīng),當(dāng)電流通過(guò)兩種不同半導(dǎo)體材料組成的電偶對(duì)時(shí),會(huì)在電偶兩端產(chǎn)生溫度差,通過(guò)改變電流方向可實(shí)現(xiàn)制冷或制熱模式切換,從而精準(zhǔn)控制目標(biāo)器件的工作溫度。
ADI針對(duì)性解決方案
低噪聲、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)解決方案
ADI 通過(guò)超低噪聲 LDO(低壓差穩(wěn)壓器)與Silent Switcher系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的組合方案,全面覆蓋儀器儀表的低噪聲與高動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求。
超低噪聲LDO以其優(yōu)異的電源抑制比(PSRR)和極低的輸出噪聲為核心優(yōu)勢(shì),可有效抑制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的紋波與高頻噪聲。例如LT3045的積分輸出噪聲僅0.8μVRMS(10Hz-100kHz),點(diǎn)噪聲低至2nV/√Hz(10kHz),PSRR在1MHz 時(shí)≥76dB,性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋰電池;LT3097作為雙路正負(fù)輸出LDO,正負(fù)通道的輸出噪聲譜密度分別低至2nV/√Hz 和2.2nV/√Hz,PSRR均超過(guò)74dB(1MHz),可直接為敏感模擬前端供電。這類(lèi)LDO采用單位增益架構(gòu),輸出噪聲、PSRR 等性能不受輸出電壓編程影響,且支持并聯(lián)擴(kuò)展電流,進(jìn)一步降低噪聲。
Silent Switcher系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器則解決了傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器噪聲大的痛點(diǎn),三代產(chǎn)品迭代升級(jí)形成完整解決方案:
Silent Switcher 1通過(guò)銅柱倒裝封裝與雙熱環(huán)路設(shè)計(jì)降低寄生電感;
Silent Switcher 2在LQFN封裝內(nèi)集成旁路電容,減小熱環(huán)路面積與PCB布局敏感性;
Silent Switcher 3則實(shí)現(xiàn)寬頻譜噪聲控制,涵蓋1/f噪聲,積分輸出噪聲低至 3.5μVRMS(10Hz-100kHz),同時(shí)具備超快瞬態(tài)響應(yīng)與高轉(zhuǎn)換效率。典型產(chǎn)品如LT8627SP支持16A輸出電流,LT83401/2可耐受42V輸入電壓,適配從高速ADC/DAC到FPGA的各類(lèi)高功耗、高敏感組件。對(duì)于極高噪聲要求場(chǎng)景,可采用“Silent Switcher + 超低噪聲LDO”的兩級(jí)架構(gòu),或搭配鐵氧體磁珠與高頻去耦電容組成的低通濾波器,進(jìn)一步衰減高頻噪聲。
多電壓軌供給解決方案
針對(duì)正負(fù)電源軌與高壓電源軌的供給需求,ADI提供電荷泵、反相拓?fù)渑c隔離方案的多元化組合,適配不同功率與電壓等級(jí)需求。
正負(fù)電源軌的實(shí)現(xiàn)可通過(guò)多種拓?fù)鋵?shí)現(xiàn):一是電荷泵方案,如ADP5600低噪聲反相電荷泵,無(wú)需磁性元件,體積小巧,適合低功耗場(chǎng)景;二是反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器(IBB),基于Silent Switcher 3技術(shù)的LT8625S可直接將正電壓反轉(zhuǎn)為負(fù)電壓,低頻頻段噪聲僅 33.2μVRMS,遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)Cuk轉(zhuǎn)換器,且單級(jí)架構(gòu)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì);三是雙路Silent Switcher 3組合方案,如LT83201(正電壓)與LT83401(負(fù)電壓)搭配,可實(shí)現(xiàn)±8V輸出,滿足低噪聲、小體積需求。此外,LT3094、LT3099等負(fù)電壓LDO可直接提供穩(wěn)定負(fù)輸出,與正電壓LDO組合形成完整雙極電源解決方案。
高壓電源軌的實(shí)現(xiàn)涵蓋多種拓?fù)洌阂皇巧龎恨D(zhuǎn)換器及衍生方案,如LT8365支持150V開(kāi)關(guān)電壓,配合電荷泵可實(shí)現(xiàn)420V高壓輸出,適配激光二極管、APD偏置等應(yīng)用;二是隔離反激轉(zhuǎn)換器,如LT8304-1可從4V-28V輸入生成1000V/15mA高壓輸出,通過(guò)變壓器隔離保障系統(tǒng)安全;三是級(jí)聯(lián)升壓方案,如LTC7840組成的兩級(jí)升壓電路,可實(shí)現(xiàn)240V/0.7A輸出,轉(zhuǎn)換效率高達(dá)92%。這些方案均集成低噪聲控制技術(shù),部分產(chǎn)品支持可編程電壓調(diào)節(jié),滿足程控電源等場(chǎng)景的精準(zhǔn)控制需求。
精準(zhǔn)溫控解決方案
ADI基于專(zhuān)利單電感拓?fù)?,推出全系列TEC控制器與驅(qū)動(dòng)器,覆蓋1A-4.5A電流范圍,實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制。其核心原理是通過(guò)溫度傳感器(如NTC、RTD)采集目標(biāo)溫度,經(jīng)控制環(huán)路(模擬PID或數(shù)字PID)計(jì)算偏差,驅(qū)動(dòng)TEC電流變化,實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的閉環(huán)控制。
ADI TEC方案具備三大核心優(yōu)勢(shì):一是單電感拓?fù)湓O(shè)計(jì),相較于傳統(tǒng)方案體積更小、效率更高,所有產(chǎn)品均采用該專(zhuān)利技術(shù);二是高控制精度,如ADN8835的溫度控制精度可達(dá) 0.01℃,電流限制控制精度±10%,內(nèi)置1%精度2.5V參考電壓;三是高集成度與靈活性,部分產(chǎn)品如LTM4663集成TEC驅(qū)動(dòng)、傳感器放大、參考電壓等功能于3.5mm×4mm×1.3mm LGA封裝,支持外部同步與電流/電壓監(jiān)測(cè);LT8702則集成數(shù)字PID與I2C/SMBus接口,適配數(shù)字化控制系統(tǒng)。
ADI TEC產(chǎn)品還支持加熱 / 制冷模式切換,具備過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)功能,適配儀器儀表的高可靠性需求。
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原文標(biāo)題:ADI“源”動(dòng)力——儀器儀表篇
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