儀器儀表作為精密測量、數據分析的核心設備,其性能直接依賴電源系統的穩定性、噪聲控制能力和功能適配性。
儀器儀表測量核心電源需求
低噪聲、高動態響應需求
精密測量場景對電源噪聲的容忍度極低,例如7位半數字萬用表的噪聲要求需達到納伏級,微小的電壓波動都會直接影響測量精度。電源噪聲的來源主要包括電路自身的熱噪聲、開關元件的開關噪聲,以及外部電磁干擾耦合產生的干擾噪聲。這些噪聲在頻率分布上呈現多頻段特征,低頻頻段以熱噪聲為主,中高頻段則以開關噪聲和電磁干擾噪聲為主,需針對性抑制。同時,儀器儀表在切換測量量程、負載突變時,要求電源具備快速動態響應能力,避免因電壓跌落或過沖導致測量數據失真。
多電壓軌供給需求
現代儀器儀表的信號鏈、驅動電路等不同模塊,對電源電壓的需求呈現多樣化特征。一方面,運算放大器、數據轉換器等精密器件常需要對稱的正負電源軌供電,以保證信號輸出的線性范圍和零點穩定性;另一方面,高壓程控電源模塊、高壓傳感器等組件則需要穩定的高壓電源軌,且需支持電壓值的精確編程與調節。此外,部分高壓應用場景中,電源軌還需具備電氣隔離功能,避免高壓串擾損壞低壓控制電路,同時保障操作安全。
精準溫控需求
儀器儀表中的核心器件如激光器、探測器、晶振等,其性能參數對溫度變化極為敏感,溫度漂移會直接導致測量精度下降。半導體制冷(TEC)技術憑借體積小、控溫精度高、響應速度快等優勢,成為儀器儀表溫控的主流選擇。其工作原理基于珀爾帖效應,當電流通過兩種不同半導體材料組成的電偶對時,會在電偶兩端產生溫度差,通過改變電流方向可實現制冷或制熱模式切換,從而精準控制目標器件的工作溫度。
ADI針對性解決方案
低噪聲、高動態響應解決方案
ADI 通過超低噪聲 LDO(低壓差穩壓器)與Silent Switcher系列開關穩壓器的組合方案,全面覆蓋儀器儀表的低噪聲與高動態響應需求。
超低噪聲LDO以其優異的電源抑制比(PSRR)和極低的輸出噪聲為核心優勢,可有效抑制開關轉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),點噪聲低至2nV/√Hz(10kHz),PSRR在1MHz 時≥76dB,性能優于傳統鋰電池;LT3097作為雙路正負輸出LDO,正負通道的輸出噪聲譜密度分別低至2nV/√Hz 和2.2nV/√Hz,PSRR均超過74dB(1MHz),可直接為敏感模擬前端供電。這類LDO采用單位增益架構,輸出噪聲、PSRR 等性能不受輸出電壓編程影響,且支持并聯擴展電流,進一步降低噪聲。
Silent Switcher系列開關穩壓器則解決了傳統開關轉換器噪聲大的痛點,三代產品迭代升級形成完整解決方案:
Silent Switcher 1通過銅柱倒裝封裝與雙熱環路設計降低寄生電感;
Silent Switcher 2在LQFN封裝內集成旁路電容,減小熱環路面積與PCB布局敏感性;
Silent Switcher 3則實現寬頻譜噪聲控制,涵蓋1/f噪聲,積分輸出噪聲低至 3.5μVRMS(10Hz-100kHz),同時具備超快瞬態響應與高轉換效率。典型產品如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的各類高功耗、高敏感組件。對于極高噪聲要求場景,可采用“Silent Switcher + 超低噪聲LDO”的兩級架構,或搭配鐵氧體磁珠與高頻去耦電容組成的低通濾波器,進一步衰減高頻噪聲。
多電壓軌供給解決方案
針對正負電源軌與高壓電源軌的供給需求,ADI提供電荷泵、反相拓撲與隔離方案的多元化組合,適配不同功率與電壓等級需求。
正負電源軌的實現可通過多種拓撲實現:一是電荷泵方案,如ADP5600低噪聲反相電荷泵,無需磁性元件,體積小巧,適合低功耗場景;二是反相降壓-升壓轉換器(IBB),基于Silent Switcher 3技術的LT8625S可直接將正電壓反轉為負電壓,低頻頻段噪聲僅 33.2μVRMS,遠優于傳統Cuk轉換器,且單級架構簡化設計;三是雙路Silent Switcher 3組合方案,如LT83201(正電壓)與LT83401(負電壓)搭配,可實現±8V輸出,滿足低噪聲、小體積需求。此外,LT3094、LT3099等負電壓LDO可直接提供穩定負輸出,與正電壓LDO組合形成完整雙極電源解決方案。
高壓電源軌的實現涵蓋多種拓撲:一是升壓轉換器及衍生方案,如LT8365支持150V開關電壓,配合電荷泵可實現420V高壓輸出,適配激光二極管、APD偏置等應用;二是隔離反激轉換器,如LT8304-1可從4V-28V輸入生成1000V/15mA高壓輸出,通過變壓器隔離保障系統安全;三是級聯升壓方案,如LTC7840組成的兩級升壓電路,可實現240V/0.7A輸出,轉換效率高達92%。這些方案均集成低噪聲控制技術,部分產品支持可編程電壓調節,滿足程控電源等場景的精準控制需求。
精準溫控解決方案
ADI基于專利單電感拓撲,推出全系列TEC控制器與驅動器,覆蓋1A-4.5A電流范圍,實現高精度溫度控制。其核心原理是通過溫度傳感器(如NTC、RTD)采集目標溫度,經控制環路(模擬PID或數字PID)計算偏差,驅動TEC電流變化,實現熱量轉移的閉環控制。
ADI TEC方案具備三大核心優勢:一是單電感拓撲設計,相較于傳統方案體積更小、效率更高,所有產品均采用該專利技術;二是高控制精度,如ADN8835的溫度控制精度可達 0.01℃,電流限制控制精度±10%,內置1%精度2.5V參考電壓;三是高集成度與靈活性,部分產品如LTM4663集成TEC驅動、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/電壓監測;LT8702則集成數字PID與I2C/SMBus接口,適配數字化控制系統。
ADI TEC產品還支持加熱 / 制冷模式切換,具備過流、過溫保護功能,適配儀器儀表的高可靠性需求。
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原文標題:ADI“源”動力——儀器儀表篇
文章出處:【微信號:analog_devices,微信公眾號:analog_devices】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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