开关电源在模拟量采集系统中的应用

尽管在模拟量采集系统中，对ADC芯片等的供电一般建议最好不用开关电源，以避免其固有的纹波大、噪声等问题，但开关电源仍以其高效率、低价格等优点得到广泛应用，尤其是在工业控制等领域。本文介绍开关电源在模拟量采集系统中的应用，并对可能出现的一些问题进行分析。

开关电源对ADC芯片工作的影响及解决方法

电源对ADC芯片的影响，除了体现在电源抑制比（PSRR）参数上，还表现在，当ADC芯片对输入的模拟信号进行采样、保持、转换时，电源电压、参考地的变化，都会对ADC芯片内部采样电路、比较器等的工作产生影响，使得采集结果出现晃动。因此，一般ADC芯片特别是高精度ADC芯片，都建议最好用质量好的线性电源供电。如果采用开关电源，则需要尽力避免它对ADC芯片产生影响。

图1是一个典型的应用，其中模拟采样用的信号调理电路、ADC和现场模拟信号不隔离，ADC芯片和CPU电源相互隔离。CPU采用控制系统内部电源。而ADC的+5V电源是由+24V电源经过+24V到+5V电源变换而来的。图中左侧部分是典型的串联、降压非隔离型DC-DC变换器的原理框图。设计中，可以根据开关管的开关频率、+5V消耗电流、要求的输出纹波最大值，计算出电感L1、电容C1的合适大小。

为了分析出开关电源对ADC芯片的影响，这里假设信号调理电路及ADC芯片正常运行的耗电是25mA/+5V，对于光耦部分，如果采用6N136、TLP521等三极管输出型的光耦，则当CPU不启动ADC工作时，光耦全不导通，耗电小于1mA；当CPU启动ADC工作时，将有数据输出Dout、数据准备好Ready等信号经过光耦，光耦处于导通状态，为了达到比较高的通讯速率，光耦总耗电需要25mA/+5V左右。这样，+5V负载电流将在25～50mA之间来回变动。正常开关电源设计的输出电流应该2倍于最大负载电流，这里设为100mA，下面将要说明负载电流的变化将极大影响+5V，从而影响ADC采样稳定性。

开关电源的工作原理是，平时Q1的周期性开关动作，再经过L1、C1，得到所需要的输出；而当输出+5V电压发生上升/下降超过一定限度（如几十毫伏），经过采样、反馈后，开关控制电路控制Q1的开关，使得输出电压向+5V回归。在+5V负载比较恒定的情况下，输出+5V的最大纹波，可以根据采样反馈电路工作原理（比如MC34063是通过比较器和锁存器来控制Q1的开关）、开关频率等计算出来。

但如果是图1中带光耦的情况，开关电源的输出不仅供给相对恒定的负载（如信号调理电路、ADC芯片），而且还要供给光耦等数字部分电路，有可能发生最坏的情况是，当开关管Q1正处于上述稳定工作中的关断时刻，光耦突然被ADC导通，此时L1、C1将要提供50mA的负载电流，而平时稳定工作中L1只提供25mA的电流，剩下电流只能从电容C1中获取，使得C1上的电压即+5V电平下降比较大。这将持续半个开关周期，直到开关管Q1打开。如果开关电源的开关频率是100KHz，而ADC芯片数据Dout的通讯频率也是100KHz左右，将引起输出+5V电压频繁波动，造成更大的输出纹波。在示波器上甚至能看到噪声反馈在+24V输入上。

上面只是理论分析的最坏情况，实际应用中，滤波电容等器件的非理想性、PCB布线等等，将使得电源纹波更大，ADC采样结果不稳定。有的微功率型隔离DC/DC，或者如电荷泵器件，只有开关管的周期性开关动作，而没有上述采样、反馈电路，输出更容易受到负载不稳定的影响，使得ADC采样结果更不稳定。

图1：开关电源在模拟量采集系统中的典型应用图

比较好的解决办法

1.设法降低开关电源的负载变化，因为虽然目前开关电源的工作频率已到几百kHz以上，但开关电源的负载响应时间仍至少要几个μs，低于目前大多ADC采样的速度。比如采用光耦6N137就比6N136好，因为6N137只是静态电流比较大，而它需要的二极管导通电流小，使得电源的负载变化不会很大。或者不把模拟+5V电源接到小功率的开关电源输出上，而接到其它功率比较大的开关电源输出上，避免开关电源输出受到负载变动的影响。同样一个值得注意的问题是，不要使用ADC芯片的Ready、Dout、Din等引脚直接驱动光耦，最好通过光耦驱动电路，使得模拟和数字电源得到很好地相互隔离，避免在光耦开关时，有大的电流越过ADC芯片。

2.开关电源后加LDO等输出电压纹波小的器件，再供给信号调理电路、ADC芯片，保证模拟电路电源的稳定。

3.如果在开关电源后加LC滤波，将LC滤波后的电源供给数字部分，此时应该针对不同的负载电流大小，选择相应的L、C数值，必要的时候，要通过一定的计算、仿真及试验来加以确定。电感、电容不能过大，否则难以响应负载（光耦开/关）的变化。建议开关电源输出直