【探索DigiKey!FUN肆分享】REF80超级电压基准性能评估板的设计与制作

参考官方的评估板,我自己设计了一个REF80基准芯片的测试模块。

首先是电源的设计。由于基准芯片初期需要长期供电进行长时间的老化,所以我想简化供电方式,最好不要依赖于仪器,受ADR1001评估板的启发,我最终选择用Type-C对模块进行供电,这样仅需要一个Type-C电源适配器就能对模块进行供电。虽然这样简化了供电方式,但是在不使用协议诱骗的情况下,需要将5V电压转换成12V给基准供电,这样就有两种方式可以选择,一种是非隔离DC-DC升压,另外一种是用隔离电源模块进行电平转换,ADR1001评估板用的是后者,最开始我也是想用隔离电源方案,这种方案可以最大程度的降低电源噪声,减小干扰,但是由于REF80的启动电流太大,在启动瞬间会消耗350mA的电流,这么大功率的隔离电源模块要么太贵要么体积太大,没有找到合适的方案,所以最终选择DC-DC升压的方式。然而直接升压需要解决电源端和升压过程带来的噪声问题,为基准芯片提供一个纯净的电源。我的解决方案是共模滤波+差模滤波+超高PSRR的LDO芯片稳压,首先使用共模滤波器滤除电源中的部分共模噪声,再使用大容量钽电容配合三端滤波电容构成π滤波器滤除部分差模噪声,最后使用具有超高PSRR的LT304x电源芯片进行稳压得到低噪声的电源。用示波器简单测试了一下电源最终的输出噪声,大概在200uVrms左右,实测优于一般的线性电源供电。参考官方的评估板,我也用两颗LDO芯片分别为加热器和基准提供+12V和+10V电源,同时由于本人有一定的强迫症,为了所谓的对称美,再加上手上有很多的LT304x芯片,所以加热器的电源也使用高成本的LT304x进行稳压,实际上没必要用这么好的稳压芯片,特此说明一下,纯属个人癖好。为了避免因DC-DC升压带来的电源噪声问题影响基准的性能,模块上也预留了外部供电所需的排针接口,可以选择不使用Type-C供电而使用线性电源供电。

其次是“热岛”的设计。由于REF80的热阻很低,只有103.6℃/W,因此PCB需要通过连续重复开槽的方式来隔热以增加热阻,即在PCB上形成一个“热岛”。同时为了减少“热岛”上的热量向其他方向上进行扩散,我使用亚克力板设计了一个隔热防风罩,将“热岛”包裹起来,这样既减少了“热岛”上热量的损失又减小气流扰动带来的影响。为减小外界干扰,我在“热岛”上靠近芯片的位置添加了电源旁路电容和输出滤波电容,并使用磁珠将电源地与基准的负极隔离开。由于REF80默认的恒温温度高达115℃,因此“热岛”上所有的器件都使用进口的含银高温锡丝进行焊接,避免焊料因高温发生疲软改变芯片的受力进而影响输出的稳定性,并且考虑高温带来的使用寿命问题,外围元件我都使用TDK和muRata的车规级元器件,其工作温度可高达150℃,具有很好的稳定性。

最后是基准电压输出部分的设计。按照官方的说法,输出需要安装容量为10uF-100uF、ESR为10mR-400mR的1类滤波电容,我这里为了对称美观用了3颗10uF的WIMA薄膜电容并联,在靠近输出终端的位置并上了一颗0.1uF的薄膜电容,输出电容串联电阻到地平面,可以通过改变串联电阻值来设置合适的ESR。在输出连接器的选择上,我使用了两种输出端子分别应对不同类别的测试,一种是SMA端子,方便连接到放大器和示波器对基准芯片的输出噪声进行测试;另一种是冷压香蕉头端子,方便连接到万用表中对基准电压的稳定性进行监测,这里香蕉头我用的是以碲铜为主体的低热香蕉插头,最大程度地降低塞贝克效应,并且端子的中心间距设置的是19mm标准间距,可以将模块直接插到万用表的输入测量端口上,这样简化了万用表与模块之间的连接过程,方便用户对模块进行测试,也减小了不必要的干扰。

模块最终的成品效果如图所示。