Power-Tipp Spannungsversorgung mit geringstem Rauschen

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Eine rauscharme Spannungsversorgung diskret aufzubauen, ist nicht ganz trivial. Auf jeden Fall braucht sie viel Platz auf der Leiterplatte. Integrieren war bis jetzt nicht möglich. Wir stellen eine „Ultra Low Noise“-Spannungsversorgung mit einer hohen Integrationsdichte vor, die minimalen Bauraum braucht.

Anwendungen in der Funktechnik oder Messtechnik benötigen sehr rauscharme Versorgungsspanungen. Damit werden störempfindliche Schaltkreise wie z.B. PLLs (Phased Locked Loops), VCOs (Voltage Controlled Oscillators), hochauflösende A/D-Wandler gespeist. Jede Störung auf der Versorgungsleitung beeinflusst das Signal in der Anwendung oder im Verbraucher. Um extrem saubere Versorgungsspannungen zu erzeugen, wird in der Regel ein Spannungswandler wie in Bild 1 gezeigt verwendet.

Der Schaltregler wandelt die hohe Versorgungsspannung, z.B. 24 V, auf eine niedrige Spannung, beispielsweise 3,5 V. Mit dieser Spannung wird ein „Ultra Low Noise“-Linearregler versorgt, der am Ausgang sehr rauscharme 3,3 V erzeugt. Der Linearregler verursacht nur sehr geringe Störungen im Bereich von 0,8 µV_eff und hat einen sehr hohen Versorgungsspannungsdurchgriff (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) von 76 dB (bei 1 MHz). Hierbei wird die Spannungswelligkeit, welche vom Schaltregler erzeugt wird, reduziert. Ein Aufbau wie in Bild 1 zeigt eine übliche Lösung, um Spannungen mit geringen Störungen zu erzeugen.

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Ein derartiger mehrstufiger diskreter Aufbau ist nicht ganz einfach. Der Schaltregler muss mit einem optimierten Leiterplatten-Layout ausgeführt sein. Andernfalls würden sich die schnellen Schaltübergänge (Transienten) des Schaltreglers als weitere Störungen in die Versorgungsspannung einkoppeln.

Um dies zu verhindern, muss der Linearregler mit einem gewissen Abstand zum Schaltregler platziert werden. Das Resultat ist eine Spannungsversorgung, die viel Platz benötigt. Eine sinnvolle Integration eines Schaltreglers und eines Linearreglers für solche Anwendungen scheiterte bisher am Einkoppeln der Schaltstörungen auf die Ausgangsspannung. Seit kurzem gibt es jedoch eine eine Lösung für dieses Problem.

Kleiner Baustein mit integriertem Schalt- und Linearregler

Eine Integration von Schaltregler und Linearregler für störempfindliche Anwendungen wird mit einem passenden Aufbau möglich. Der LTM8080 aus der µModul-Familie bietet eine interne magnetische Schirmung zwischen dem Schaltregler- und dem integrierten Linearreglerbereich.

Diese „eingebaute Trennwand“ unterdrückt elektromagnetische Störungen, die von den schnell geschalteten Strömen des Schaltreglers stammen. Somit erhält man saubere, akkurat geregelte Versorgungsspannungen auf kleinem Formfaktor. Der LTM8080 umfasst den Schaltregler inklusive der Spule sowie zwei „Ultra Low Noise“-Linearregler und erzeugt zwei unterschiedliche Spannungen gleichzeitig. Untergebracht ist alles in einem 9 mm x 6,25 mm großen Gehäuse.

In Bild 3 ist die Rauschdichte in Abhängigkeit des Ausgangsstromes dargestellt. Der LTM8080 offeriert effektive Störungen kleiner als 1 μV_eff (zwischen 10 Hz und 100 kHz). Im Vergleich dazu: ein typischer Wert für die Batteriespannung einer Lithium-Ion-Batterie ohne Spannungsregelung liegt bei 2,7 μV_eff (zwischen 10 Hz und 100 kHz). Die in Bild 2 gezeigte Spannungswandlung ist also ruhiger als die Spannung aus einer Batterie.

Zusätzlich vereinfacht diese Lösung den Schaltungsentwurf, da Sie sich nicht mit dem Aufbau eines Schaltreglers und dem nötigen Platinen-Layout im Detail auskennen müssen. (kr)

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* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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