設計の説明

この設計は、トランス ドライバと低ドロップアウト レギュレータ(LDO)を使用した絶縁型電源を示しており、『デジタル絶縁型 ADS8689 の回路設計』に記載されているようなデジタル絶縁型 SAR ADC を組み合わせて使用できます。絶縁インターフェイスを必要とする産業用機器が、この設計を SAR ADC と組み合わせて使用する主な用途となります。出力電流の要件と出力電圧ノイズの要件に基づいて、別のトランス ドライバやLDOを選定することが可能です。この電源はADS8689を搭載したPCB上に構築してテストしており、本書の後半でADS8689の性能を示し、電源の有効性を証明しています。

この回路実装は、アナログ入力モジュール、心電計 (ECG)、パルス オキシメータ、ベッドサイド患者モニタなどの用途に適しています。

仕様

デザイン ノート

1. トランスの 2 次側で必要とされる供給電流を特定します。この情報に基づいて部品を選定します。
2. トランスとトランス ドライバの選定は、最適な絶縁型電源を構築する上で極めて重要です。
3. SN6505B の CLK ピンは外部クロックに接続するか、またはフローティングのままにして内蔵の 420kHz クロックを使用します。

部品選定

1. 必要な出力電流に基づいてトランス ドライバを選定します。
   • SN6505は最大1Aの出力電流を供給します。SN6505Aは160kHzのクロックを内蔵し、SN6505Bは420kHzのクロックを内蔵しています。
   • SN6501は最大350mAの出力電流を供給します。
2. 希望する巻線比および定格電流のトランスを選定します。
   • この設計では入力電圧を5V、出力電圧を6.5Vとします。巻数比は次のように特定されます。
     式 1. $\frac{{\mathrm{n}}_{\mathrm{p}}}{{\mathrm{n}}_{\mathrm{s}}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{IN}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}}=\frac{5\mathrm{V}}{6.5\mathrm{V}}=\frac{1}{1.3}$
   • この設計では、巻数比が1:1.3で、定格電流も100mAという設計仕様を満たしていることから、Wurth Electronicsの760390014を採用しました。
3. トランスの出力を利用して低ノイズ電源電圧を生成するために、低ドロップアウト レギュレータ(LDO)を選定します。
   1. システムの出力電流要件と出力電圧ノイズ要件を満たす LDO を選定します。
   2. LP2981-5.0は、この設計で選定した固定出力電圧LDOです。このLDOは100mAの出力電流を供給できます。また、出力精度が高く、出力電圧ノイズはわずか 160µV_RMS です。
4. SN6505Bの高速スイッチングに対応する整流ダイオードを選定します。
   • 『SN6505x 絶縁電源用低ノイズ 1A トランス ドライバ』データシートでは、低コストのショットキー整流器 MBR0520L の使用を推奨しています。
   • 順方向電圧降下により絶縁型電源の出力電圧が損なわれます。
   • ダイオードの定格電流は、この電源の想定電流レベルに対応するものとします。

トランス ドライバ出力の測定結果

以下の画像は、SN6505Bの2つのトランス駆動線をオシロスコープで捕捉したものです。周波数411kHzで0V～5Vのパルスが発生しています。

SN6505B 段出力リップルの測定結果

以下の画像は、SN6505B電力段の整流器からの出力電圧をオシロスコープで捕捉したものです。これがLP2981-5.0 LDOへの入力となります。結果：1.12mV_RMS。

FFT 測定値

この電源はチャネル間絶縁型ADS8689 PCBに実装しました。ADS8689のAC性能を測定して、この絶縁型電源の有効性を証明しています。AC 性能は SNR = 92.4dB、THD = -111.3dB であることを示しており、ADC の性能仕様：SNR = 92dB、THD = -112dB とよく一致しています。

使用デバイス