Fuente de alimentación de ultra bajo ruido

Necesitará un conmutador para aumentar el voltaje de entrada, seguido de un regulador lineal, como propone Russell. Sin embargo, su TPS717xx, aunque tiene un PSRR alto, no tiene una corriente de salida alta (150 mA). La corriente alta y el PSRR alto no van bien juntos en los LDO. Sin embargo, es posible que se requiera un LDO, ya que el voltaje de entrada de 2-4 V sugiere que está alimentando con baterías y, por lo tanto, no desea perder demasiada energía en los reguladores.
Una solución para el PSRR puede ser usar 2 LDO en cascada , para que los PSRR se sumen.
El LP3878-ADJ puede ser una buena opción para su segunda etapa; es de bajo ruido , puede suministrar 800mA y tiene una salida ajustable que se puede establecer en 5V.
Para la etapa anterior podrías usar unLP38690-ADJ . La hoja de datos muestra cómo puede mejorar el rechazo de ondulación en frecuencias más altas si coloca un 100$\mu$Tapa de salida F. Caps entre cada etapa (100$\mu$F + 10$\mu$F + 1$\mu$F) son imprescindibles, pero$\pi$-los filtros son una mejor idea: tapas + perla de ferrita + tapas. Esos deberían suprimir las frecuencias más altas generadas por el conmutador.

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Dave, con razón, tiene dudas sobre el uso de pilas AA, pero es incluso peor de lo que calculó. Calculo que necesitará 7 V del conmutador para alimentar los LDO en cascada, por lo que 600 mA a 7 V son 4,2 W, con una eficiencia de conversión del 80 %, es decir, 5,25 W de las baterías. ¡Dos celdas AA entregan 3V, por lo que son 1.75A de las baterías! No solo no durarán mucho, tampoco les gustará. Le sugiero que use una celda LiPo , que entrega 3,7 V con un regulador de impulso, o incluso dos celdas en serie, que brindan 7,4 V, y use solo el LP3878-ADJ. (Si no usa un conmutador, no necesita el segundo LDO para suprimir su ondulación).

Resumen:

• Evite usar una fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) si es posible.

• Use un regulador de PSRR alto sin SMPS o siguiendo uno.

• Mire todos los consejos de diseño habituales sobre el diseño de PCB, etc. - vea a continuación y otros

• Mire todas las referencias de diseño de PSRR a continuación

Dices que la entrada es 2V - 4V. ¿Por qué es esto? ¿Cuál es la fuente de energía? Si las baterías,
1 x LiIon ~= 3V- 4.2V 1 x LiFePO4 ~= 2V - 3.5V
2 x NimH ~= 2V - 2.8V ...?

Usted menciona "opamps". ¿Son de suministro único de 5V?

por ejemplo, 2 x LiIon le darán 6V - 8.4V con la mayoría de las operaciones en el rango de 6.5V - 7.5V. El uso de un regulador lineal le brinda aproximadamente un 70% de eficiencia, PERO una gran reducción potencial en el ruido de la fuente de alimentación. 5 x NiMh le brinda, digamos, 5.x V a 6.5V y una eficiencia promedio algo más alta.

Si DEBE usar una fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS), que se sumará a sus problemas con su ruido en comparación con una fuente de alimentación puramente lineal de buena calidad, entonces, después de seguir todas las buenas prácticas que todos los demás le dirán, va a también quiero un excelente regulador lineal para seguir los smps.

para los smps

• Considere usar una forma de onda sinusoidal o un diseño resonante (tal vez Royer).
• Querrá ver un filtro de entrada y salida LCL de equilibrio para los smps
• con estrangulador de filtrado de modo común de herida bifilar balanceada.
• Todo el cuidado habitual con cosas de corrientes de retorno,
• Sin bucles en las rutas de ida y vuelta de la PCB para captar el ruido
• No hay ranuras que se crucen con las rutas de retorno del plano de tierra
• Tapas de desacoplamiento en pines IC con posiblemente varias tapas de un rango de valores
• Tapas de cerámica y tantalio tal vez (en la salida) (Tantalio en la entrada OK si se garantiza una operación completamente libre de picos por encima de Cap_Vmax.
• Con un smps, preste atención a las porciones oscilatorias de las formas de onda, la inductancia de fuga que no se apagó correctamente, los diodos no tienen una recuperación difícil, las formas de onda de conmutación algo limitadas en el ancho de banda, ... .
• Un smps de capacitor conmutado tendrá la ventaja de no tener interferencia de campo magnético; todavía tiene un campo E (menor) y ruido de la fuente de alimentación (puede ser significativo).
• Y ...

PERO

Entonces querrá un regulador lineal con un PSRR inmensamente bueno (relación de rechazo de la fuente de alimentación).

El viejo estándar LM317 reclama hasta alrededor de 80 dB PSRR, PERO los resultados pueden variar enormemente en el rango de frecuencia y con la implementación.

Si busca, por ejemplo, PSRR en Digikey, obtendrá dispositivos que reclaman un PSRR alto, ya que no se menciona a menos que estén tratando de mejorarlo de lo habitual. Obtuve 206 reguladores de voltaje con PSRR mencionados en Digikey, un número pequeño en comparación con la mayoría de las búsquedas.

Como un ejemplo perturbador (no hay suficiente corriente para su aplicación, pero indica el rendimiento de PSRR que puede esperar) aquí está la hoja de datos para TI TPS717xx que menciona bajo ruido y "PSRR de alto ancho de banda" en el título. PERO reclama 70/67/45 dB PSRR a 1/100/1000 kHz. Eso es realmente bueno, PERO eso puede no ser obvio al mirar las cifras aparentes de las hojas de datos para las piezas estándar. A partir del gráfico a continuación, está claro que sería una MUY buena idea obtener la mayor cantidad posible de ruido HF antes del regulador. Esto es razonablemente fácil usando un suministro lineal de fuente principal, y "no tan fácil" usando un SMPS antes del regulador PSRR alto.

Miré esta hoja de datos basándome en que es la cantidad más cara en 1000 en Digikey que menciona PSRR . Es mucho peor que el TPS717xx, pero tiene una clasificación de corriente mucho más alta.

Consejos de diseño del mundo real:

Aquí hay una nota útil de la aplicación Maxim sobre un buen diseño de PSRR .

Aquí hay una nota de aplicación de prueba de PSRR de Omicron : quieren venderle equipo de prueba, pero es una guía útil para lo que está tratando de lograr.

Si es lo suficientemente serio o desesperado, esto por $ papel puede ser útil . Diseño de fuente de alimentación con relación de rechazo de 96dB.

Aquí hay una nota útil de diseño de TI) que señala que el rendimiento puede variar "extrañamente" a través de la frecuencia.

Como siempre Wikipedia tiene algo que decir

Fuente de alimentación

Salida: 5V y 600mA. (En el peor de los casos, 200 mA típico).
Suministro: 2VDC - 3VDC (2 x Alcalino)

Suponga una media de 250 mA. Digamos Vbattery = 2.5V y digamos 80% de eficiencia total del convertidor:

Iin = 5 V x 0,25 A / 2,5 V x 1/80 % = 625 mA Una celda AA de 2500 mAh de capacidad durará nominalmente 2,5/0,625 ~= 4 horas.

Para NimH, el voltaje de 2 celdas bajo ese orden de carga será de 2,4 V típico, por lo que la vida nominal es ligeramente menor, pero se acercan más a su capacidad nominal que las alcalinas a medida que las cargas comienzan a acercarse a 1C (aquí carga = C/4).
Solo los mejores AA NimH realmente alcanzan los 2500 mAh y solo cuando son nuevos, la vida útil en el mundo real será de 4 horas o menos.

¿Es aceptable una duración de batería de 4 horas?
¿Puede aumentar el voltaje de la batería para permitir un suministro solo lineal? ¿Cuál es el riel de suministro opamp, etc. más bajo que realmente puede tolerar? (por ejemplo, 5,0 V, 4,9 V, 4,5 V...?)

Es probable que el resultado general en el mundo real con NimH sea mejor que el uso de alcalinos.

Dice que tiene un objetivo de ondulación de 5 mV (¿P2P?) Bajo carga, que es de 60 dB. Incluso un LM317 funky-junky debería poder lograr eso. Sin embargo, creo que es posible que necesite una especificación mucho más estricta, si desea amplificar señales superiores a un par de Hz. Incluso usando un amplificador operacional con un PSRR de 90 dB, si tiene 5 mV P2P de ondulación/ruido en la fuente de alimentación, eso significa que tendrá 156 nV de ruido en la salida del amplificador de primera etapa.

Si luego usa el amplificador como un amplificador de transimpedancia para amplificar una señal P2P de 1 pA, significa que necesitará una ganancia de primera etapa muy superior a 156,000 para superar el ruido de la fuente de alimentación. Probablemente sea posible construir un circuito que pueda hacer eso, ya que hay amplificadores operacionales con corrientes de polarización de entrada fA y solo un par$nV/\sqrt{Hz}$de ruido, pero el circuito será inútil para cualquier cosa que no sean las frecuencias más bajas debido a las limitaciones del producto de ancho de banda de ganancia.

Editar: ¡Me disculpo, no leí la pregunta con suficiente cuidado! Ahora veo que tal vez esté implícito que hará un seguimiento de su conmutador con un regulador posterior para limpiar aún más la salida. Iba a eliminar esta respuesta, pero como me tomé la molestia de hacer los cálculos, la dejaré aquí por ahora. :)

Dos puntos, que otros también han hecho:

1. 5 mV en 5V no es todo ese ruido ultra bajo.

2. La mejor manera de lograr esto dentro de los parámetros establecidos es aumentar el conmutador seguido de un post regulador lineal.

Para conservar energía, desea utilizar un LDO (pero vea el punto 3). Sin embargo, 600 mA es mucho para un LDO. Y como mencionó Steven, la naturaleza de los LDO generalmente les da un rechazo de ondulación de entrada más pobre, al menos a frecuencias más altas. Entonces, algunos puntos:

1. Divida su carga de 600 mA en varias piezas y alimente cada pieza desde su propio LDO. Una vez que baje a 250 mA por regulador, tendrá muchas más opciones.

2. Coloque un filtro LC separado delante de cada LDO. Los LDO en general tienen poca capacidad para adaptarse a los cambios de voltaje de entrada de alta frecuencia. He visto esto en acción y, en un caso, tuve que adaptar un inductor de chip y un condensador a un circuito existente porque entraba demasiado ruido de conmutación en la salida regulada linealmente supuestamente limpia. Solo un inductor de chip 0805 seguido de 22 µF a tierra ayudará mucho. Estos inductores de chip también tendrán una resistencia de unos 100 mΩ, pero eso realmente ayuda un poco aquí. Tienes que ver la calificación actual y posiblemente usar un paquete más grande para obtener la corriente que deseas. Puede usar dos de estos filtros en serie si es necesario para aplastar realmente las frecuencias altas que el LDO no puede manejar bien.

3. No tiene que poner toda la carga de ondulación baja en la fuente de alimentación. La ondulación de conmutación se puede filtrar fácilmente cuando tiene una frecuencia lo suficientemente alta. Puede usar un chip de refuerzo estándar que funcione a 500 kHz o más, luego agregue filtros LC como se indica arriba donde sea necesario. Estos no serán necesarios para alimentar circuitos digitales como un microcontrolador. Desea poner los filtros en cualquier parte analógica. Lo más probable es que el circuito sensible no esté donde va la mayor parte de los 600 mA. Esta solución es la más eficiente porque no tiene la caída de voltaje adicional de un regulador lineal.

Si tiene suerte, logrará una eficiencia del 75 % en el circuito de conversión de energía. Para entregar 600 mA en la salida se requerirán 600/0,75 = 800 mA de las baterías. Esta es una carga bastante sustancial para baterías AA aleatorias. ¿Son posibles otras baterías? Incluso C Cells funcionaría mejor.