Question:
Alimentation à très faible bruit
Ktc
2011-09-25 09:40:58 UTC
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J'essaie de concevoir une alimentation à très faible bruit pour mon circuit sensible. L'alimentation fournira 5V et 600mA. (Dans le pire des cas, 200 mA typique). Ma tension d'entrée est de 2V à 4V. Ma cible d'ondulation sous charge est inférieure à 5 mV.

Les signaux que j'essaie de mesurer sont très petits, au niveau nA, et les amplificateurs opérationnels doivent être sur une alimentation très propre, d'où l'exigence d'un convertisseur CC / CC à très faible bruit.

Quelles sont les précautions que je peux prendre et quels sont les paramètres que je devrais regarder pendant que je sélectionne le convertisseur DC / DC. Je sais que le forum n'aime pas que les gens fournissent des exigences spécifiques, mais dans ce cas, j'apprécie si vous pouviez indiquer des pièces qui répondent aux paramètres indiqués.

De plus, quelles autres précautions au niveau du circuit puis-je prendre? Découpler les bouchons pour une fois mais y en a-t-il d'autres?

MISE À JOUR Ma source est de simples piles AA, alcalines, mais les gens peuvent utiliser d'autres choses. Tout ce qui convient au compartiment à piles AA.

Mon signal, l'entrée opamp, est de 1Mhz avec un cycle de service de 75%

MISE À JOUR 2 Je suis retourné et j'ai complètement repensé la conception, changer les amplificateurs opérationnels pour que je puisse les couper l'alimentation (et ils peuvent fonctionner à 4,5 V), arrangé les GPIO, etc. pour que nous puissions contrôler le flux de puissance, changé certains des schémas de modulation, etc. Enfin, j'ai pu apporter vers le bas l'exigence totale de puissance à 400mA où 200mA pour 5V et 200mA pour 3,3V.

J'ai choisi la partie TI à haut rendement pour la conception côté mélangeur. TPS661100. Cela a un LDO que j'utiliserai pour 3.3V. (Fait intéressant, ce LDO a un excellent PSRR mais j'ai peur de l'utiliser pour l'alimentation 5V car je ne peux pas le faire passer par un réseau pi avant d'alimenter le LDO) Maintenant, j'essaie de choisir un LDO externe pour 5V. Ce commutateur a une fréquence de commutation de 500Khz, mais trouver un LDO qui a un bon rejet à 500Khz s'est avéré difficile. Je peux trouver des pièces qui ont une faible chute et un PSRR de 30 dB, mais rien de tel que vous ne l'avez recommandé, par exemple 60-70 dB. Je suis maintenant ouvert aux suggestions et commentaires.

Note finale, lorsque ma conception sera terminée, je prolongerai cette question afin que le prochain gars puisse suivre ou apprendre de mon expérience. Merci à vous tous.

Il sera assez difficile de mesurer les courants de picoampère à 1 mHz, compte tenu de l'équation \ $ I = \ frac {dQ} {dT} \ $. En branchant I = 1 pA et en intégrant à t = 1 / f, avec f = 1 mHz, vous obtenez que Q soit \ $ 10 ^ {- 18} \ $, soit deux ordres de grandeur de moins que la charge d'un seul électron !
Ok .. c'est une entrée intéressante. Mes courants nominaux seront d'environ 10 nA. pA était une erreur.
@user3685, sur la note du forum n'aime pas les gens qui demandent des détails. Une bonne réponse peut toujours avoir des parties données à titre d'exemples, mais idéalement, elles vous apprennent pendant le processus à trouver ce dont vous avez besoin et les exemples ne sont qu'un simple gain de temps. En outre, des informations générales similaires à quel niveau de bruit est acceptable et peuvent aider les utilisateurs à trouver des solutions.
@user3685 - Voir la section "alimentation" ajoutée à la fin de ma réponse. Autonomie de 4 heures de la batterie OK? / Le numéro de pièce opamp réel serait utile. En dehors des opamps, qu'est-ce qui prend du courant? (200-600 mA, c'est beaucoup pour les amplis op uniquement). Quelle tension les opamp et autres équipements toléreront-ils comme Vmin.
2 x 14500 = AA LiIon rentrerait dans le compartiment à piles :-). Pas beaucoup vu hors de la captivité. = 6 V + - 8,5 V. La capacité énergétique Wh est à peu près égale à AA NimH.
@russelmcmahon,, nous avons d'autres éléments tels que le sans fil, etc. dans le système, d'où la consommation d'énergie supplémentaire. Opamp est OPA2896.
@RussellMcMahon concernant l'AALiIon, que font les concepteurs de produits? Se soucient-ils de ces boîtiers de batterie d'angle ou mettent-ils simplement un avis et oublient-le. Que recommanderais-tu?
Si je n'avais pas d'autre choix que d'utiliser un boîtier donné avec une capacité de 2 x AA, je l'utiliserais. Le manuel de l'utilisateur aurait idéalement une section sur les besoins en batterie, y compris un bref commentaire sur les raisons. Pour des points supplémentaires, une étiquette dans le boîtier de la batterie pourrait indiquer "Reportez-vous au manuel ...". Personne ne le fera :-). Les bons NimH sont le meilleur choix s'ils sont conçus pour et si les utilisateurs peuvent gérer la charge (et pas seulement les jeter à plat.
J'ai également besoin d'une alimentation à faible ondulation.Mes exigences sont similaires: 200mA, 5V, moins de 5mv p-p (1mv étant optimal).Aucune limitation concernant la tension d'entrée, quel que soit le besoin.Aucune suggestion?
Cinq réponses:
stevenvh
2011-09-25 11:26:29 UTC
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Vous aurez besoin d'un mélangeur pour augmenter la tension d'entrée et le faire suivre par un régulateur linéaire, comme le propose Russell. Son TPS717xx, cependant, tout en ayant un PSRR élevé, n'a pas un courant de sortie élevé (150mA). Un courant élevé et un PSRR élevé ne vont pas bien ensemble sur les LDO. Néanmoins, un LDO peut être nécessaire, car la volatilité d'entrée 2-4V suggère que vous êtes alimenté par des batteries, et que vous ne voulez pas perdre trop d'énergie dans les régulateurs.
Une solution pour le PSRR peut être de utilisez 2 LDO en cascade , afin que les PSRR s’ajoutent.
Le LP3878-ADJ peut être un bon choix pour votre deuxième étape; il est à faible bruit , peut fournir 800mA et possède une sortie réglable qui peut être réglée sur 5V.
Pour l'étape précédente, vous pouvez utiliser un LP38690-ADJ. La fiche technique montre comment vous pouvez améliorer le rejet d'ondulation à des fréquences plus élevées si vous placez un plafond de sortie de 100 \ $ \ mu \ $ F. Les majuscules entre chaque étape (100 \ $ \ mu \ $ F + 10 \ $ \ mu \ $ F + 1 \ $ \ mu \ $ F) sont indispensables, mais \ $ \ pi \ $ - les filtres sont une meilleure idée: bouchons + perle de ferrite + bouchons. Ceux-ci devraient supprimer les fréquences plus élevées générées par le mélangeur.

modifier (concernant votre mise à jour)
Dave a à juste titre des doutes sur l'utilisation de piles AA, mais c'est encore pire qu'il ne l'avait calculé. J'estime que vous aurez besoin de 7V du mélangeur pour alimenter les LDO en cascade, donc 600mA @ 7V est de 4,2W, avec une efficacité de conversion de 80% soit 5,25W des batteries. Deux piles AA délivrent 3V, soit 1,75A des piles! Non seulement ils ne dureront pas longtemps, mais ils ne l'aimeront pas non plus. Je vous suggère d'utiliser une cellule LiPo , qui délivre 3,7V avec un régulateur de suralimentation, ou même deux cellules en série, donnant 7,4V, et n'utilisez que le LP3878-ADJ. (Si vous n'utilisez pas de mélangeur, vous n'avez pas besoin du deuxième LDO pour supprimer son ondulation.)

@stevenh, le cas d'utilisation dicte presque que l'utilisateur achète de nouvelles batteries, si nous le rendons rechargeable, le produit perdra une certaine commodité. Je cherche à optimiser la puissance maintenant, nous n'avons jamais envisagé cela mais maintenant c'est un must. J'essaierai d'obtenir une consommation de fonctionnement aussi basse que 30 mA et le pire des cas à 400 mA. Il existe des moyens mais nécessitent un travail logiciel sérieux.
Les piles de type @user3685 - D ont une capacité 5 fois supérieure à celle d'une pile AA, elles dureront donc plus longtemps. Le client peut appeler un échec s'il a besoin de remplacer les piles après quelques heures. Quoi qu'il en soit, l'énergie alcaline est aussi sacrément chère (un à deux mille euros par kWh), et en tant que client, je préférerais les rechargeables, même si j'apprécie que vous ayez vos raisons.
Russell McMahon
2011-09-25 10:26:28 UTC
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  • Évitez d'utiliser une alimentation à découpage (SMPS) si possible.

  • Utilisez un régulateur à PSRR élevé sans SMPS ou suivant.

  • Regardez tous les conseils de conception habituels sur la conception de circuits imprimés, etc. - voir ci-dessous et autres

  • Regardez toutes les références de conception PSRR ci-dessous


Vous dites que l'entrée est 2V - 4V. Pourquoi est-ce? Quelle est la source d'énergie? Si batteries,
1 x LiIon ~ = 3V- 4.2V 1 x LiFePO4 ~ = 2V - 3.5V
2 x NimH ~ = 2V - 2.8V ...?

Vous mentionnez " opamps ". S'agit-il d'une alimentation unique de 5 V?

Par exemple, 2 x LiIon vous donneront 6V - 8,4V avec la plupart des opérations dans la plage 6,5V - 7,5V. L'utilisation d'un régulateur linéaire vous donne généralement une efficacité d'environ 70% MAIS une réduction potentielle considérable du bruit de l'alimentation. 5 x NiMh vous donne par exemple 5 x V à 6,5 V et une efficacité moyenne un peu plus élevée.

Si vous DEVEZ utiliser une alimentation à découpage (SMPS), qui ajoutera à vos malheurs avec son bruit par rapport à une alimentation purement linéaire de bonne qualité, alors après avoir suivi tout les bonnes pratiques que tout le monde vous dira sur vous vont également vouloir un superbe régulateur linéaire pour suivre les smps.

Pour les smps, vous

  • Pensez à utiliser une forme d'onde sinusoïdale ou une conception résonnante (Royer peut-être).
  • Vous voudrez regarder un filtre d'entrée et de sortie L-C-L équilibré vers le smps
  • avec un self de filtrage en mode commun à enroulement bifilaire équilibré.
  • Tous les soins habituels avec le truc des courants de retour,
  • Aucune boucle dans le circuit imprimé ne va sur les chemins de retour & pour capter le bruit
  • Aucune fente ne coupe les chemins de retour du plan de masse
  • Découplage des bouchons AT broches IC avec éventuellement plusieurs bouchons d'une plage de valeurs
  • Bouchons en céramique et tantale peut-être (en sortie) (Tantale en entrée OK si Un fonctionnement sans pic au-dessus de Cap_Vmax est garanti.
  • Avec un smps, faites attention à toutes les parties oscillatoires des formes d'ondes, à l'inductance de fuite qui n'est pas correctement snobée, aux diodes qui ne sont pas à récupération matérielle, à la commutation des formes d'onde quelque peu limitée en bande passante, ....
  • Un smps à condensateur commuté aura l'avantage de ne pas interférer de champ magnétique - a toujours un champ E (mineur) et un bruit d'alimentation (peut être important.
  • Et ...

MAIS

Vous voudrez alors un régulateur linéaire avec un très bon PSRR (Power Supply Rejection Ratio).

Ye olde standard LM317 revendique jusqu'à autour de 80 dB PSRR MAIS les résultats peuvent varier considérablement selon la gamme de fréquences et avec la mise en œuvre.

Si vous recherchez par exemple Digikey pour PSRR, vous obtiendrez des appareils qui revendiquent un PSRR élevé car il n'est pas mentionné à moins d'essayer pour le rendre meilleur que d'habitude. J'ai eu 206 régulateurs de tension avec PSRR mentionnés chez Digikey - un petit nombre par rapport à la plupart des recherches.

À titre d'exemple inquiétant, (pas assez de courant pour votre application mais indicatif du PSRR performances auxquelles vous pouvez vous attendre) voici la fiche technique du TI TPS717xx qui mentionne un faible bruit et un "PSRR à bande passante élevée" dans le titre. MAIS le PSRR à 70/67/45 dB à 1/100/1000 kHz. C'est ac tually bon MAIS qui peut ne pas être évident en regardant les chiffres de la fiche technique apparents pour les pièces standard. D'après le graphique ci-dessous, il est clair que ce serait une VRAIMENT bonne idée d'obtenir autant de bruit HF que possible avant le régulateur. C'est raisonnablement facile en utilisant une alimentation linéaire sur secteur, et "pas si facile" en utilisant un SMPS avant le régulateur PSRR élevé.

J'ai regardé cette fiche technique en me disant qu'elle était la plus chère en 1000 quantités à Digikey qui mentionne le PSRR C'est bien pire que le TPS717xx - mais avec un courant beaucoup plus élevé.


enter image description here


Réel conseils de conception mondiale:

Voici une note d'application Maxim utile sur une bonne conception PSRR.

Voici une note d'application de test Omicron PSRR - ils veulent vous vendre du matériel de test, mais c'est un guide utile de ce que vous essayez d'accomplir.

Si cela est assez sérieux ou désespéré ceci pour $ papier peut être utile Conception de PSU avec un taux de rejet de 96 dB.

Voici une note de conception TI) utile qui montre bien que les performances peuvent varier "étrangement" sur toute la fréquence.

Comme toujours Wikipédia a quelque chose à dire


Alimentation électrique

Sortie: 5V et 600mA. (Dans le pire des cas, 200mA typique).
Alimentation: 2VDC - 3VDC (2 x alcalines)

Supposons une moyenne de 250 mA, disons Vbattery = 2,5V et disons 80% d'efficacité du convertisseur: p>

Iin = 5 V x 0,25 A / 2,5 V x 1/80% = 625 mAA Une cellule AA d'une capacité de 2500 mAh durera nominalement 2,5 / 0,625 ~ = 4 heures.

Pour NimH, la tension de 2 cellules sous cet ordre de charge auront une durée de vie typique de 2,4 V, donc une durée de vie nominale légèrement inférieure, mais elles atteignent plus près de leur capacité nominale que les alcalines lorsque les charges commencent à approcher 1C (ici charge = C / 4).
Seulement le meilleur AA NimH atteint réellement 2500 mAh et seulement lorsque la durée de vie dans le monde réel sera de 4 heures ou moins.

Une autonomie de 4 heures est-elle acceptable?
Pouvez-vous augmenter la tension de la batterie pour autoriser uniquement un linéaire la fourniture? Quel est le rail d'alimentation le plus bas, etc. que vous pouvez vraiment tolérer? (par exemple 5.0V, 4.9V, 4.5V ...?)

Le résultat global dans le monde réel avec NimH est susceptible d'être meilleur que d'utiliser Alkalines.

Les amplificateurs opérationnels sont à alimentation unique 5V
Résultat global dans le monde réel avec ... quoi? Excellente réponse, néanmoins.
Bitrex
2011-09-25 12:34:20 UTC
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Vous dites que vous avez une cible d'ondulation de 5 mV (P2P?) sous charge, soit 60 dB. Même un LM317 funky-junky devrait être capable d'accomplir cela. Cependant, je pense que vous aurez peut-être besoin d'une spécification beaucoup plus stricte, si vous souhaitez amplifier des signaux supérieurs à quelques Hz. Même en utilisant un ampli opérationnel avec un PSRR de 90 dB, si vous avez 5 mV P2P d'ondulation / bruit sur l'alimentation, cela signifie que vous aurez 156 nV de bruit sur la sortie de l'amplificateur du premier étage.

Si vous utilisez ensuite l'amplificateur comme ampli à transimpédance pour amplifier un signal P2P de 1 pA, cela signifie que vous aurez besoin d'un gain de premier étage bien supérieur à 156 000 pour le faire passer au-dessus du bruit de l'alimentation. Il est probablement possible de construire un circuit qui peut le faire, car il y a des opamps avec des courants de polarisation d'entrée fA et seulement quelques \ $ nV / \ sqrt {Hz} \ $ de bruit, mais le circuit sera inutile pour tout sauf le très fréquences les plus basses en raison des limitations du produit gain-bande passante.

Edit: Je m'excuse, je n'ai pas lu la question assez attentivement! Je vois maintenant qu'il est peut-être sous-entendu que vous suivrez votre mélangeur avec un post-régulateur pour nettoyer davantage la sortie. J'allais supprimer cette réponse, mais comme je me suis donné la peine de faire le calcul, je vais la laisser ici pour le moment. :)

+1. Toutes les bonnes choses. Le post-régulateur est né dans le cadre du processus de réponse AFAIK.
Olin Lathrop
2011-09-25 18:30:52 UTC
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Deux points, que d'autres ont également soulevés:

  1. 5 mV sur 5V n'est pas un bruit extrêmement faible.

  2. Le meilleur Le moyen d'y parvenir dans les paramètres définis est de booster le sélecteur suivi d'un post-régulateur linéaire.

Pour économiser l'énergie, vous voulez utiliser un LDO (mais voir point 3). Cependant, 600 mA, c'est beaucoup pour un LDO. Et comme Steven l'a mentionné, la nature des LDO leur donne généralement un rejet d'ondulation d'entrée plus faible, au moins à des fréquences plus élevées. Donc, quelques points:

  1. Divisez votre charge de 600 mA en plusieurs morceaux et alimentez chaque pièce à partir de son propre LDO. Une fois que vous êtes descendu à 250 mA par régulateur, vous aurez beaucoup plus de choix.

  2. Mettez un filtre L-C séparé devant chaque LDO. Les LDO en général ont une faible capacité à s'adapter aux changements de tension d'entrée haute fréquence. J'ai vu cela en action et dans un cas, j'ai dû moderniser une inductance et un condensateur de puce sur un circuit existant parce que trop de bruit de commutation arrivait sur la sortie prétendument propre et régulée linéairement. Un simple inducteur de puce 0805 suivi de 22 µF à la terre aidera beaucoup. Ces inducteurs de puce auront également une résistance de quelques 100 mΩ, mais cela aide un peu ici. Vous devez surveiller la classification actuelle et éventuellement utiliser un package plus grand pour obtenir le courant souhaité. Vous pouvez utiliser deux de ces filtres en série si nécessaire pour vraiment écraser les hautes fréquences que le LDO ne peut pas gérer correctement.

  3. Vous n'êtes pas obligé de mettre tout le poids des ondulations sur le bloc d'alimentation. L'ondulation de commutation peut être facilement filtrée lorsqu'elle est suffisamment haute fréquence. Vous pouvez utiliser une puce boost standard qui fonctionne à 500 kHz ou plus, puis ajouter des filtres L-C comme ci-dessus si nécessaire. Ceux-ci ne seront pas nécessaires pour alimenter les circuits numériques comme un microcontrôleur. Vous voulez mettre les filtres sur n'importe quelle partie analogique. Très probablement, les circuits sensibles ne sont pas là où la plupart des 600 mA vont. Cette solution est la plus efficace car vous n'avez pas la chute de tension supplémentaire d'un régulateur linéaire.

merci .. Nous essaierons d'utiliser votre approche sur 3. C'est en effet une bonne suggestion. Qu'est-ce que le bruit ultra faible? Pensez-vous qu'il soit possible d'atteindre <1mV?
rfdave
2011-09-25 17:53:31 UTC
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Si vous avez de la chance, vous obtiendrez une efficacité de 75% dans le circuit de conversion de puissance. Pour fournir 600 mA à la sortie, il faudra 600 / 0,75 = 800 mA des batteries. C'est une charge assez importante pour les piles AA aléatoires. D'autres batteries sont-elles possibles? Même les cellules C fonctionneraient mieux.

En fait, le courant de la batterie sera plus élevé que ce que vous montrez parce que vous avez oublié de tenir compte du fait qu'il augmente également la tension.
Note à l'auto-café d'abord / Internet en second. C'est un bon point. Un budget de puissance réel tenant compte des pertes de conversion à chaque étape sera très instructif et montrera pourquoi les régulateurs de mode de commutation sont bons et les LDO sont mauvais.
En fait, les LDO ne sont pas nécessairement si mauvais. Par exemple, une entrée de 5,5 V et une sortie de 5,0 V sont efficaces à 91%.
@dave Nous avons 4aa mais 2 ensembles sont en parallèle. Pensez-vous que ce serait correct?
@user3685 - placer les batteries en parallèle est une mauvaise idée ™. Si la tension d'une cellule est juste un peu plus élevée que l'autre, un courant important circulera entre elles, ce que ni l'un ni l'autre ne plaira beaucoup.
@stevenh ok .. un putain de commentaire, je n'y ai pas pensé .. Je suppose que je dois retourner à la planche à dessin pour sûr.


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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