STOP功能在低噪声数据采集应用中的优势

2万 · 2020-7-14 23:08

电磁噪声是指任何一种多余的电磁能量，其强度足以使信号失真。因此，设计高性能数据采集应用或任何具有特别敏感信号路径的系统时，必须克服噪声问题。

在电源方面，由于其基本的工作原理，高效的DC/DC转换器可能成为重要的噪声源。它们既会在转换器的开关频率处产生低频纹波，也会产生因转换器功率级中电压和电流的快速切换而引起的高频噪声。

与开关式稳压器结合使用的降噪技术示例包括额外的过滤无源元件，诸如缓冲电路、铁氧体磁珠和馈通电容器，或在电源路径中包含线性电源，如低压差稳压器。虽然这些方案在大多数应用中都能很好地发挥作用，但它们在效率、解决方案尺寸以及总电源解决方案的成本方面可能会有所权衡，尤其是在如患者监护仪、智能仪表、智能传感器和物联网系统等始终开启的应用中。

很多应用肯定会从数据采集和/或射频（RF）通信事件中的无噪声环境中受益。但是，电源设计人员需要考虑效率（换言之，电池寿命）、电路板空间和组件成本之间的权衡是否对他们的设计有意义。在证明可能存在问题时，现代DC/DC转换器确实提供了有助于减少设计折衷影响的功能。一个示例是TPS62840 DC/DC转换器，这是一种超低（60nA）静态电流、高效、750mA降压型稳压器，旨在在始终开启的应用中最大限度地延长电池寿命，可用于始终开机应用。

TPS62840的STOP输入管脚（见图1）立即（在电流开关周期之后）和暂时停止调压器的开关。这段时间内，存储在输出电容器中的电荷为应用供电；稳压器绝对不会产生纹波或开关噪声。这种情况下，该应用可以执行无失真、精确的数据采集和RF通信程序。

图1：显示STOP输入管脚的典型应用电路

当然，在系统进行时，重要的是在器件的输出电压达到系统临界电平之前重启器件。一旦将逻辑低电平施加到STOP管脚，调压器将立即恢复开关操作，而不会有任何启动和/或软启动延迟。图2说明用于以脉冲频率调制（PFM）（图2a）或强制脉冲宽度调制（PWM）（图2b）操作DC/DC转换器的STOP特性。

图2：在PFM操作（a）中，VIN = 3.6 V，VOUT = 1.8 V和IOUT = 10 mA和强制PWM操作（b）时，采用TPS62840STOP模式操作

（其中蓝色是STOP管脚的输入信号，洋红色是输出电压，绿色是电感器电流）。测量值包括COUT= 10 µF。

在STOP模式下进行无噪声测量/RF通信事件的所需时间取决于设置的输出电压VOUT,SET、输出电容值COUT、所需的输出电流IOUT和应用的电压容限。在图2的示例中（VIN = 3.6 V，VOUT,SET = 1.8 V，IOUT = 10 mA, COUT = 10 µF），在时间t = 38 µs之后达到约50 mV的压降。如果恒定输出电流IOUT对输出电容器COUT放电，则可使用公式1估算STOP模式下的输出电压行为VOUT（t）作为时间t的函数：

VOUT(t) = VOUT,SET – IOUT × t / COUT (1)

在设计具有强噪声控制要求的始终开启应用的电源架构时，请确保检查TPS62840的STOP功能。结合其他特征，例如在低至 IOUT= 1μA的输出电流时，80%的轻载效率，或者通过将单个电阻器连接到VSET管脚即可在16个预定义输出电压之间进行选择的可能性，TPS62840可帮助最大化系统的电池使用寿命，同时最大程度地减少所需的额外组件数量。