[RAQ] Niskoszumny zasilacz mikrofonowy Phantom 48 V z wykorzystaniem przetwornicy typu boost

Artykuł opisuje projekt zasilacza mikrofonowego Phantom oparty o standardową przetwornicę DC/DC LT8362 typu boost.

Pytanie:

Czy da się zrobić kompaktowy, niskoszumny zasilacz Phantom (48V) z napięcia 5V, 12V lub 24V?

Odpowiedź:

Tak, wystarczy wykorzystać prosty przekształtnik podwyższający napięcie (ang. boost converter), obwód filtrujący redukujący zakłócenia elektromagnetyczne i kilka sztuczek, które utrzymają rozmiar układu w ryzach.

Profesjonalne mikrofony pojemnościowe wymagają napięcia 48 V, by spolaryzować okładzinę kondensatora i zasilić wysokoimpedancyjny bufor wyjściowy.Zasilacz taki charakteryzuje się niskim prądem, zwykle o wartości tylko kilku mA, ale musi mieć bardzo niski poziom szumów, ponieważ poziomy wyjściowe mikrofonu są dość niskie, a bufor niezbyt dobrze tłumi tętnienia zasilania. Ponadto zasilanie fantomowe nie może dopuszczać do przenikania zakłóceń elektromagnetycznych do sąsiednich obwodów sygnału o niskim poziomie, co zawsze stanowi pewne wyzwanie w ciasno upakowanych układach.

Można zbudować bardzo wydajny zasilacz wykorzystując konwerter podwyższający napięcie LT8362, wyposażony w klucz przełączający dla napięcia 60 V i prądu 2 A, który może pracować przy częstotliwościach do 2 MHz. Wszystko to w obudowie o rozmiarach zaledwie 3 × 3 mm. Przedstawiony tutaj obwód bazuje na standardowej płytce demonstracyjnej układu LT8362 o nazwie DC2628A, której schemat pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat układu demonstracyjnego DC2628, wykorzystanego do zbudowania zasilacza Phantom

Tłumienie szumu na wyjściu układu

Wejściowy filtr zakłóceń elektromagnetycznych dobrze radzi sobie z szumem o wysokiej częstotliwości dzięki dławikowi połączonemu szeregowo z wejściem. Niestety na wyjściu nie jest aż tak dobrze. Wyjściowy filtr zakłóceń elektromagnetycznych skutecznie tłumi szumy w obszarze MHz, ale ma niewielki wpływ na szumy w zakresie audio. Szum ten powstaje głównie z powodu 30-krotnego wzmocnienia w pętli sprzężenia zwrotnego, która wzmacnia szum referencyjny LT8362.

Aby zneutralizować ten szum można dodać na wyjściu układu pojemność. Przyniesie to pożądany efekt to jeśli pojemność będzie odpowiednio wysoka. Przy napięciu 48 V na wyjściu najniższe praktycznie stosowane napięcie kondensatora wynosi 63 V. Oznacza to, że wymagane kondensatory byłyby zarówno duże, jak i drogie. Innym sposobem jest zwiększenie napięcia wyjściowego układu LT8362 o jeden lub dwa wolty i dodanie do wyjścia stabilizatora LDO. To podejście wymaga zastosowania regulatora LDO wysokiego napięcia, który zwykle kosztuje więcej niż jego odpowiednik dla napięcia niskiego. Ponadto, choć regulatory te mogą charakteryzować się niskim poziomem szumów przy niższych napięciach wyjściowych, to urządzenia wykorzystujące napięcie odniesienia mają ten sam problem co układ LT8362 związany ze wzmacnianiem szumu układu w pętli sprzężenia zwrotnego.

Trzecie podejście wykorzystuje fakt, że czułość wyjścia mikrofonu nie jest zbyt mocno związana z napięciem zasilania, a więc zasilanie fantomowe nie wymaga zbyt dokładnej regulacji. Oznacza to, że możemy dodać pewien opór szeregowo z kondensatorami wyjściowymi, zwiększając ich skuteczność. To rozwiązanie tylko częściowo zmniejsza jednak rozmiary kondensatorów wysokonapięciowych.

Technika mnożenia pojemności

Lepszym rozwiązaniem jest sprawienie, aby kondensatory wyjściowe wydawały się większe niż są w rzeczywistości. Można to osiągnąć staromodną techniką zwaną mnożeniem pojemności. Prosty obwód, który do tego właśnie służy znajduje się w szarym obszarze na rysunku 2.

Rysunek 2. Ten sam obwód, co na rysunku 1, ale z mnożnikiem pojemności (na szaro) na wyjściu w celu stłumienia szumów w zakresie częstotliwości audio generowanych przez stabilizator impulsowy

Teraz kondensator o pojemności 100 µF kontroluje tętnienie prądu podstawowego. Aby więc uzyskać jego wartość na kolektorze, trzeba go pomnożyć przez współczynnik beta tranzystora NPN. Efekt tych działań jest wstrząsający. Rysunek 3a pokazuje moc wyjściową obwodu LT8362 na kondensatorze C4 (przed filtrem) przy obciążeniu 1 kΩ (50 mA).

Rysunek 3. Przed i za filtrem. (a) Wyjście konwertera wzmacniającego ma szum ok 0,2% w punkcie C4 (przed filtrem). (b) Po przejściu przez filtr na wyjściu mamy już 0,002% szumów, czyli dwa rzędy wielkości mniej

Wyniki

Szum wynosi około 80 mV p-p, co stanowi około 0,2% wartości napięcia. To zapewne wystarczy w większości zastosowań, ale kształt wyjścia za filtrem jest znacznie lepszy także przy napięciu około 1 mV p-p, jak pokazano na rys. 3b. Wówczas szum stanowi około 0,002% lub 20 ppm wartości napięcia. Jest to poziomów szumów wystarczająco niski nawet dla najbardziej wymagających aplikacji. Rysunek 4 pokazuje rzeczywistą realizację opisywanej konfiguracji.

Rysunek 4. Rzeczywista realizacja niskoszumnego zasilacza Phantom wykorzystująca płytkę demonstracyjną DC2628

Dla wysokich wartości napięcia VCBEO (80 V) i współczynnika beta przy jednoczesnych niskich wartościach prądu wybrano tranzystor SBCP56-16T1G. Wysoka wartość współczynnika beta pozwala uzyskać wysoką pozorną pojemność i relatywnie stały jej spadek przy spadającej wartości prądu. Napięcie wyjściowe spada z 47,8 V przy obciążeniu 2 kΩ do 47,5 V przy obciążeniu 500 Ω, co jest wystarczające do zastosowań mikrofonowych. Dobrze jest sprawdzić wartości szumu i możliwości regulacji przed użyciem innego tranzystora.

Testy przeprowadzono przy napięciu wejściowym 16 V, ale wydajność układu będzie podobna przy wartościach od 12 V do 24 V. Niektóre aplikacje mogą wymagać konwersji z napięcia 5 V. Można to osiągnąć zmniejszając częstotliwość przełączania LT8362 z 2 MHz do 1 MHz, aby zapewnić czas wyłączenia rzędu 75 ns. Wymagałoby to również zwiększenia cewki L1 do około 10-15 µH i podwojenia kondensatora wyjściowego C4, aby zachować taką samą wydajność.

O autorze

Thomas Mosteller był inżynierem wsparcia technicznego Analog Devices w regionie środkowoatlantyckim od 1990 roku. Oferował wsparcie szerokiej gamie klientów wojskowych, komercyjnych i przemysłowych w projektach z różnych dziedzin, takich jak dystrybucja i dostawy energii, analogowe przetwarzanie sygnałów, konwersja danych oraz aplikacje radiowe i komunikacyjne. Przed dołączeniem do Linear Technology (obecnie Analog Devices) Thomas przez 10 lat projektował różnorodny sprzęt medyczny i posiada patent dotyczący projektowania pomp infuzyjnych. W 1977 ukończył Uniwersytet Drexel zdobywając tytuł B.S.E.E.

Christopher Jarboe otrzymał tytuł B.S.E.E. na Western Kentucky University w 2005 r. i dołączył do Linear Technology (obecnie Analog Devices) w 2010 r. Jest inżynierem aplikacyjnym obsługującym klientów w Stanach Zjednoczonych w regionie środkowoatlantyckim i północno-wschodnim