使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為高速 ADC 供電的好處

功耗是設(shè)計(jì)人員選擇高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)之一。無(wú)論是在需要更長(zhǎng)電池壽命的便攜式設(shè)計(jì)中，還是對(duì)于耗散較少熱能的小型產(chǎn)品，功耗都至關(guān)重要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員傳統(tǒng)上從低噪聲線性穩(wěn)壓器(例如低壓差穩(wěn)壓器)而不是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電，因?yàn)樗麄儞?dān)心開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的輸出頻譜并顯著降低交流性能。

然而，用于手機(jī)的新一代噪聲優(yōu)化開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可最大限度地減少對(duì)附近低噪聲和功率放大器的干擾，從而在實(shí)踐中做出改變。它們使高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器能夠直接由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電，而不會(huì)顯著降低交流性能。此設(shè)計(jì)可立即將電源效率提高 20% 至 50%。

與前幾代相比，現(xiàn)代高速轉(zhuǎn)換器的功耗降低了約 50%，部分原因是將電源電壓從 3.3V 降低到 1.8V。在基于低壓差穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)中，隨著電源軌的降低，穩(wěn)壓器的壓差和可用電源軌對(duì)于電源效率變得更加關(guān)鍵。在電路板的數(shù)字部分，許多電壓軌通常為 FPGA 和處理器的各種內(nèi)核和 I/O 電壓提供服務(wù)。然而，在模擬部分，可能只有少數(shù)“干凈”選項(xiàng)可用，例如 3.3 和 5V。

對(duì)于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，您可以使用線性穩(wěn)壓器從通用 5Vrail 生成 3.3V 電源。低壓差穩(wěn)壓器中 1.7V 的壓降相當(dāng)于大約 35% 的功率損耗。當(dāng)使用低壓降穩(wěn)壓器從 3.3V 總線為 ADC(例如 ADS4149)提供 1.8V 電源時(shí)，線性穩(wěn)壓器的功率損耗增加到大約 45%，這意味著幾乎一半的功率消耗在低壓差穩(wěn)壓器。這個(gè)例子說(shuō)明了低效電源設(shè)計(jì)是多么容易失去 50% 的功率降低。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率完全獨(dú)立于輸入電源軌，因此可以顯著節(jié)省功耗。通過(guò)精心設(shè)計(jì)，您可以最大限度地減少對(duì)交流性能的影響。

電源濾波

將開(kāi)關(guān)噪聲與 ADC 隔離的關(guān)鍵組件是電源濾波器，它由鐵氧體磁珠和旁路電容器組成。選擇鐵氧體磁珠時(shí)應(yīng)考慮幾個(gè)關(guān)鍵特性。首先，鐵氧體磁珠必須為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供足夠的額定電流，并且它必須具有低 DCR(直流電阻)以最大限度地減少磁珠本身的電壓降。例如，通過(guò) DCR 為 1Ω 的磁珠的 200 mA 電源電流會(huì)導(dǎo)致電源電壓下降 200 mV。當(dāng)您考慮標(biāo)準(zhǔn)電源電壓變化時(shí)，這種壓降可能會(huì)將 ADC 的電壓推至接近邊緣甚至低于推薦的工作條件。

其次，鐵氧體磁珠必須在 dc/dc 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率和諧波下具有高阻抗，以阻止開(kāi)關(guān)噪聲和開(kāi)關(guān)雜散。大多數(shù)可用的鐵氧體磁珠具有 100 MHz 的阻抗，而現(xiàn)代 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率通常為 500 kHz 至 6 MHz。在我們的示例中，ADS4149 評(píng)估模塊使用開(kāi)關(guān)頻率為 2.25 MHz 的 TPS625290 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。由于 DC/DC 穩(wěn)壓器具有方波輸出，因此您還必須考慮高次諧波。Murata 的 NFM31PC276B0J3EMI 濾波器在該頻率范圍內(nèi)提供高阻抗和低 DCR。

比較了電阻為 68Ω 的傳統(tǒng)鐵氧體磁珠在 100 MHz 與 MurataEMI 濾波器的插入損耗。電源電路具有低阻抗，插入損耗是在 50Ω 環(huán)境中測(cè)量的。因此，電源濾波器的插入損耗幅度可能會(huì)略有不同，盡管諧振頻率不會(huì)改變。

電源濾波器的其他組件是旁路電容器。您應(yīng)該選擇這些電容器的值，以使它們產(chǎn)生低阻抗接地路徑的諧振頻率接近開(kāi)關(guān)頻率。因此，通過(guò)磁珠的開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)地短路。電源濾波器的插入損耗比較 表明，適當(dāng)?shù)呐月冯娙葜禃?huì)產(chǎn)生接近開(kāi)關(guān)頻率的諧振，即使將其與 EXCML32A680 等傳統(tǒng)鐵氧體磁珠結(jié)合使用也是如此。但是，在低頻時(shí)，它如果用 0Ω 電阻器代替，差別不大。另一方面，村田 EMI 濾波器在開(kāi)關(guān)頻率附近提供大約 20dB 的額外衰減。電源濾波器 使用 33μF 鉭電容器進(jìn)行寬頻去耦，而 10μF、2.2μF 和 0.1μF 陶瓷電容器的諧振頻率較窄。

交流性能

根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的 PSRR，電源軌上的一定量噪聲仍會(huì)進(jìn)入 ADC 并降低其交流性能。 SNR 和 SFDR(無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)掃描比較了 基準(zhǔn)電源，例如 1.8V、干凈的實(shí)驗(yàn)室電源、低壓差穩(wěn)壓器和具有不同電源濾波器選項(xiàng)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器ADS4149 評(píng)估模塊。

測(cè)試結(jié)果表明，與在 300 MHz 中頻下的低噪聲低壓差穩(wěn)壓器相比，由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電時(shí)，SNR 性能下降約 0.3 dB。設(shè)置之間的 SFDR 性能也幾乎相同。仔細(xì)觀察歸一化 FFT 圖，該圖從輸入信號(hào)開(kāi)始，繪制噪聲與偏移頻率的關(guān)系圖，顯示使用次優(yōu) EXC 鐵氧體磁珠時(shí)奈奎斯特區(qū)的本底噪聲略有升高，但沒(méi)有任何開(kāi)關(guān)頻率饋通的證據(jù)。

電源效率

使用 dc/dc 轉(zhuǎn)換器而不是線性穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能。在 ADS4149 評(píng)估模塊的所有實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)外部 3.3V 電源(一個(gè)公共模擬電源軌)為低壓差和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電。測(cè)得的功率效率及其各自的靜態(tài)電流。該比較表明，低壓差穩(wěn)壓器消耗的功率幾乎與 ADC 一樣多。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的功耗僅比理想方法多 32 mW，實(shí)現(xiàn)了高效的電源設(shè)計(jì)。您可以通過(guò)降低輸入電壓(首先從 3.3V 到例如 2.5 或 2.2V)進(jìn)一步提高低壓差穩(wěn)壓器的效率，但代價(jià)是增加了系統(tǒng)成本和尺寸。

盡管具有比低壓差設(shè)計(jì)更多的外部組件，但 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的總體占位面積可能更小，因?yàn)檩^新的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而大大減小了電感器的尺寸，例如，對(duì)于 2.25 μH，大約為 2.2μH MHz 而不是 500 kHz 的 33 μH。

相反，線性穩(wěn)壓器可能需要較少的電源濾波，但它們也有尺寸限制，因?yàn)樗鼈兺ǔ?huì)消耗更多功率。從成本的角度來(lái)看，由于元件數(shù)量更多，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可能會(huì)稍微貴一些。盡管如此，提高效率可以節(jié)省散熱技術(shù)和系統(tǒng)功率預(yù)算的成本。

隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員尋求更節(jié)能的組件，將高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的電源架構(gòu)更改為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以大大節(jié)省功耗。您可以直接從開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為低功耗、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電，而不會(huì)顯著降低其交流性能。