設計目標

目標：從 +5V 供電電源產生 ±15V 精密電源。

設計說明

部分精密類比轉數位轉換器 (ADC) 和數位轉類比轉換器 (DAC) 需要高電壓電源才能運作。此類比工程師的電路描述了可用於高電壓精密資料轉換器的精密、高電壓供應電路。在此設計中，推拉式驅動器使用現成的中心抽頭變壓器，首先將 +5V 電源輸入升壓至約 ±20V。在此輸出後，雙輸出低壓差 (LDO) 電壓穩壓器可為 ±15V 電源設定輸出。可編程邏輯控制器 (PLC)、類比輸入和類比輸出等多種應用，都需要高電壓以進行輸入量測或輸出驅動。

設計說明

1. 此電路由 USB 主機連接埠的 5V 額定電源驅動。請注意確保 USB 電壓夠高，並防止超過 USB 連接埠的電流限制。
   1. USB 1.0、1.1 和 2.0 的電壓輸出最低為 4.75V。若在高電流下使用 USB-C，此電壓可低至 4.5V。
   2. USB 1.0、1.1 和 2.0 的電流輸出能力為 500mA。部分 USB 充電埠可提供更高的電流輸出。USB-C 連接埠的輸出電流最高可達 3A。
   3. 若供電電源輸出電壓低於預期，可將降壓升壓電路加入輸入以正常運作。
2. 高電壓輸出源自 5V 電源，由 SN6505B 驅動的變壓器驅動。SN6505B 低雜訊變壓器驅動器以小巧體積的隔離式電源供應器為目標，並可將小巧的中心抽頭變壓器從 2.25V 驅動至 5.5V dc 電源供應。此變壓器驅動器在推拉式轉換器中運作，將輸入電壓升高。
3. 推拉式轉換器的基本結構如以下電路圖所示，其中變壓器匝數約為 n = 2。如此可將 5V 輸入電壓升壓至約 ±20V。
   

   SN6505B 會從切換 D1 和 D2 建立切換週期。這些週期會推動或拉電流經過中心抽頭變壓器。切換週期交替，以設定超出整流器二極體的正負電壓輸出。下圖顯示切換週期期間透過輸出的電流路徑。

   
4. SN6505B 精密內部振盪器的額定運作頻率為 420kHz，但如果此頻率干擾電路板上的其他電路，則可以使用外部振盪器。另一個選項使用類似的 SN6505A，其具有 160kHz 內部振盪器。
5. 設定 SN6505B 變壓器驅動器時需要考慮以下事項：
   1. 在變壓器驅動器輸入處使用 4.7µF 或更高的低等效串聯電阻 (ESR) 旁路電容器。
   2. 在 1µF 到 10µF 的整流器輸出處使用大型電容器。
   3. 為了防止變壓器在飽和下運作，請使用 SN6505B 操作參數檢查變壓器的 V-t 產品。變壓器最小 V-t 產品會根據裝置提供的最大電壓，以及各切換週期的最大時間來計算。最大電壓是使用 5V 額定轉換器輸入並增加 10% 來計算。向一級施加此電壓的最大時間是最低頻率週期的一半。對於 SN6505B，內部振盪器的最小頻率為 363kHz。SN6505B 的 V-t 產品計算為 7.6V-µs。
      ${\mathrm{V}\mathrm{t}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\ge {\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\times \frac{{\mathrm{t}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{2}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{I}\mathrm{N}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{2\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}$
      ${\mathrm{V}\mathrm{t}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\ge \frac{5.5\mathrm{V}}{2\times 363\mathrm{k}\mathrm{H}\mathrm{z}}=7.6\mathrm{V}\text{-}\mathrm{\mu }\mathrm{s}$
   4. 推薦的變壓器為 Würth Elektronik® 760390015 變壓器，電感為 475µH。此變壓器的 V-t 產品為 11V-µs，高於先前計算的 7.6V-µs V-t 產品。N1 + N2:N3 + N4 的匝數比為 1:2。此變壓器列於 SN6505x 低雜訊 1A 變壓器驅動器，適用於隔離式電源供應器產品規格表中，此表位於針對裝置最佳化的推薦隔離變壓器表。
   5. 使用具有高反向崩潰電壓的低正向電壓肖特基二極體。為此電路選擇 MBR0580-TP（具 80V 反向崩潰電壓）。
   6. SN6505B 的最小電流箝位限制為 1.42A。此箝位會限制電流進入變壓器。不過，變壓器產品規格表輸出電流圖顯示的最大電流為 0.7A。此電路的測試僅限於 500mA。
6. 建立 ±20V 升壓電路後，使用 TPS7A3901 雙正負 LDO 以產生 ±15V 電源輸出。如需有關此 LDO 的詳細資訊，請參閱 TPS7A39 雙路、150mA、寬 V_IN 正負 LDO 電壓穩壓器產品規格表。
   1. LDO 最大輸出限制為 150mA（從正輸出供應電流和從負輸出灌電流）。但是，此電路會在最大輸出電流 50mA 下進行測試。
   2. EN 針腳可作為啟用 LDO 的正常電源功能。最小啟用電壓為 2.2V。EN 針腳的電壓由 499kΩ 至 100kΩ 電阻分壓器產生，由變壓器的正 20V 輸出進行連接。
   3. LDO 的輸出可使用電阻分壓器調整至回饋輸入針腳。正 LDO 的回饋輸入設定在 FBP 針腳。輸出是透過決定輸出電壓的電阻分壓器，將 V_FBP 提升為 1.188V 來設定。下圖顯示正 LDO 輸出。
      
      從 15V 的輸出和從 FBP 到接地的 10kΩ 電阻開始，頂部電阻器可以透過以下計算得出：
      $\left(\frac{{\mathrm{R}}_1+10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\right)\times 1.188\mathrm{V}=\mathrm{ }15\mathrm{V}$
      ${\mathrm{R}}_1=(12.62\mathrm{ }\times 10\mathrm{k}\mathrm{\Omega })-10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
      ${\mathrm{R}}_1=116.2\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
      使用 1% 標準電阻值，選擇 R1 為 118kΩ。因此，正 LDO 輸出值為 15.21V。
   4. 同樣地，負 LDO 輸出也源自 BUF 針腳內部電壓參考輸出緩衝器的電壓分壓器。負 LDO 的回饋輸入設定在 FBN 針腳。此 V_FBN 電壓通常為 3.7mV。
      
      從 –15V 的輸出及從 BUF 至 FBN 的 10kΩ 電阻器開始，底部電阻器可以透過以下計算得出：
      $\frac{{\mathrm{R}}_2}{10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}\left(1.19\mathrm{V}-3.7\mathrm{m}\mathrm{V}\right)+3.7\mathrm{m}\mathrm{V}=-15\mathrm{V}$
      ${\mathrm{R}}_2=\frac{\left(15\mathrm{V}-3.7\mathrm{m}\mathrm{V}\right)\times 10\mathrm{k}\mathrm{\Omega }}{1.1863\mathrm{V}}$
      ${\mathrm{R}}_2=126.4\mathrm{k}\mathrm{\Omega }$
      使用另一個 1% 標準電阻值，選擇 R2 為 127kΩ。計算出負 LDO 的值約為 -15V。此設定的額定值計算為 –15.07V。
   5. TPS7A3901 正壓降電壓通常為 175mV，最大值為 300mV。負壓降電壓通常為 –145mV，最小值為 –250mV。這兩種壓降電壓均指定分別供應電流 50mA 和灌電流 50mA。
   6. CNR/SS 針腳用於降低低頻雜訊。為此針腳選擇 10nF 電容器。CFFP 和 CFFN 電容可用於降低中頻雜訊。
   7. 雖然此應用顯示未非隔離電源，但可透過分離變壓器任一側的接地來將電路做為工業應用的隔離電源使用。

測量結果

電路透過 ADS125H02EVM 上的雙電源進行測試。雖然此評估模組針對精密 ADC，但此電源也可用於精密 DAC，例如 DAC81404 或 DAC8760。

5V 電源提供輸入。推拉式轉換器的輸出電壓是在 LDO 輸入處測量。此外也會測量 LDO 的輸出。下表列出了這些測量結果。

由於輸出電壓遠遠超過輸入電壓，因此輸出負載電流仍遠小於輸入電流。TPS7A3901 雙 LDO 經過電阻負載測試，從正 LDO 輸出供應電流，並從負 LDO 輸出灌電流。下圖顯示 5V 電源的輸入電流與 ±15V 電源輸出電流負載間的關係。

根據建構電路的測量結果，輸入電流比輸出負載電流大八倍以上。對於供應電流 500mA 的標準 USB 2.0 連接埠，±15V 電源的最大輸出電流約為 60mA。

此外，電路輸出效率低於測量值。輸入功率由 5V 電源計算，並記錄供應電流。接著輸出功率由 ±15V 電源計算，且也會記錄輸出負載電流。這些值會在不同的輸出負載下繪製，以確保功率效率。此電路負載電流為 50mA 時，效率測量值為 73%。效率結果如下圖所示。

推薦用於本設計的裝置

使用參數搜尋工具或其它具有此精密 ADC 的 ADC 裝置，尋找其它可能的 DAC 裝置。

設計參考

請參閱類比工程師的電路寶典，了解 TI 全方位的電路庫。

其他資源

• 德州儀器，ADS125H02 評估模組使用者指南
• 德州儀器，PLC I/O 模組的隔離式電源拓撲結構及其他低功耗應用產品概覽
• 德州儀器，以一個 LDO 為雙電源運算放大器電路供電
• 德州儀器，Precision Labs 系列：數位轉類比轉換器 (DAC)
• 德州儀器，Precision Labs 系列：類比轉數位轉換器 (ADC)

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