如何測(cè)量動(dòng)態(tài)功耗對(duì)應(yīng)于將所需功率傳輸?shù)截?fù)載所需的能量

用于模擬Vdd(AVDD)和數(shù)字Vdd(DVDD)電源的DC / DC轉(zhuǎn)換器。了解ADC電源引腳如何對(duì)DC / DC轉(zhuǎn)換器作出反應(yīng)至關(guān)重要，因?yàn)镈C / DC轉(zhuǎn)換器由于其高功率效率而成為大多數(shù)(如果不是全部)供電方案的一部分。

DC / DC轉(zhuǎn)換器的效率可以達(dá)到90%左右，為需要提供電源的解決方案提供最節(jié)能的解決方案。DC-DC轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部功耗有兩個(gè)主要組成部分：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗

靜態(tài)功耗對(duì)應(yīng)于實(shí)現(xiàn)芯片功能所需的能量，通常情況下，I Q是靜態(tài)電流，V S是電源電壓。

動(dòng)態(tài)功耗對(duì)應(yīng)于將所需功率傳輸?shù)截?fù)載所需的能量。在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，主要貢獻(xiàn)者是能量損失：

在切換過渡期間。

驅(qū)動(dòng)輸出金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。

在MOSFET中由于內(nèi)部串聯(lián)電阻。

在用于平均輸出電壓的電感器中產(chǎn)生直流電壓。

圖1顯示了DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率曲線。

圖1：(a)TPS54120 DC / DC(b)TPS62080 DC / DC

效率曲線效率曲線

請(qǐng)注意，輕負(fù)載電流下的效率會(huì)急劇下降，并且確實(shí)會(huì)比使用輕負(fù)載工作的線性穩(wěn)壓器的效率更差。因此，當(dāng)最佳加載或負(fù)載在指定范圍內(nèi)變化時(shí)，DC / DC轉(zhuǎn)換器總是更好，以確保效率。TPS54120的最高效率達(dá)到500mA以上(> 85%); 對(duì)于TPS62080，它的電流為300mA至800mA(> 90%)。

我不會(huì)花更多的時(shí)間選擇DC / DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樽詈玫慕鉀Q方案將取決于效率，成本，印刷電路板(PCB)占用面積與可用，可能的電磁干擾等......

對(duì)于此分析，我將使用TPS54120和TPS62080作為電源解決方案的示例來評(píng)估不同開關(guān)頻率的影響。該TPS54120在480kHz典型和被切換TPS62080在1.5MHz的。該TPS54120是具有一個(gè)輸出端是一個(gè)低噪聲，低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)和一個(gè)輸出端是一個(gè)DC / DC轉(zhuǎn)換器的雙輸出裝置。該TPS62080是1.2A高效率降壓轉(zhuǎn)換器。

該TPS54120是與可以用作任一高效率的LDO(DC / DC和LDO串聯(lián)使用)的小的PCB占用一個(gè)非常靈活的設(shè)備; 見圖2(a)或電源樹優(yōu)化器(DC / DC和LDO獨(dú)立使用); 見圖2(b)。

A)1A時(shí)為12V至1.8V; 效率~70%}

B)3A時(shí)為2.3V至1.2V; 效率DC-DC ~83%}

{1.3V至1.8V，1A; 效率LDO = 78.3%}

圖2：(a)高效LDO，(b)電源樹優(yōu)化器配置

在無負(fù)載條件下，時(shí)域響應(yīng)TPS54120呈現(xiàn)600μV PP紋波，如圖3。

圖3：TPS54120 DC / DC轉(zhuǎn)換器時(shí)域紋波

該時(shí)域紋波可以轉(zhuǎn)換為頻域圖; 見圖4。

圖4：TPS54120 DC / DC轉(zhuǎn)換器頻域響應(yīng)

該TPS62080是1.5MHz的，1.2A降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器。圖5說明了其時(shí)域空載響應(yīng)。請(qǐng)注意，此響應(yīng)表現(xiàn)出8mV PP紋波。此響應(yīng)是TPS62080貪睡模式，一旦負(fù)載連接到其輸出，它將類似于TPS54120 DC / DC響應(yīng)。

圖5：TPS62080時(shí)域空載響應(yīng)

圖5的快速傅里葉變換(FFT)如圖6所示。

圖6：TPS62080空載FFT

圖4和圖6都顯示了ADC需要拒絕的組件。對(duì)于200mA負(fù)載(例如ADC3444將展示的負(fù)載)而言，從效率的角度來看，這些并不是最好的DC / DC轉(zhuǎn)換器，但據(jù)了解，負(fù)載將與板上的其他組件共享。圖7顯示了各種負(fù)載的TPS54120 DC / DC轉(zhuǎn)換器FFT。在此圖中，您可以注意到負(fù)載較重時(shí)基波及其諧波的幅度增加。這些降級(jí)將在ADC的輸出頻譜中找到它們的方式，以獲得穩(wěn)定的額外DC / DC轉(zhuǎn)換器負(fù)載，而不是ADC提供的負(fù)載。如果這個(gè)額外的負(fù)載變化，那么你將不得不處理DC / DC轉(zhuǎn)換器幅度的調(diào)制。

圖7：各種負(fù)載的TPS54120 FFT

由于它們的可用性，我選擇了TPS54120和TPS62080，允許用兩種截然不同的開關(guān)頻率(480kHz和1.5MHz)評(píng)估ADC3444。

首先看一下之前博客中ADC3444的DVDD電源，請(qǐng)參閱“ 測(cè)量ADC中的PSR ”，我們知道DVDD引腳的最大允許紋波約為15mV PP。紋波低于此值將確保ADC FFT上不會(huì)出現(xiàn)大于-95dBFS的音調(diào)。

我的評(píng)估基于圖8所示的框圖。在此圖中，您可以注意到電源是電池。電池的使用保證了電源開關(guān)噪聲的唯一來源是DC / DC轉(zhuǎn)換器。在DVDD電源上，我們?cè)跊]有任何后置濾波的情況下插入了DC / DC轉(zhuǎn)換器，只在每個(gè)ADC3444 DVDD引腳上保留了四個(gè)0.22μF電容。AVDD電源引腳由相同的電池供電，但此時(shí)接著是低噪聲LDO，以確保在適當(dāng)?shù)碾妷合逻M(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)還可以很好地抑制任何外部開關(guān)噪聲和AVDD引腳的低熱噪聲為良好的電源提供AVDD電源提供低阻抗。

圖8：ADC3444 DVDD測(cè)試配置

(注意：沒有使用鐵氧體磁珠，因?yàn)槲覀冋谠u(píng)估ADC3444電源抑制比[PSRR]性能)

TPS54120 DC-DC 的ADC FFT結(jié)果如下圖9所示。

圖9：(a)ADC3444參考圖; (b)ADC3444 FFT，TPS54120作為DVDD電源

我們現(xiàn)在有我們先前的計(jì)算，從我的“確認(rèn)在ADC測(cè)量PSR ”后，下面600μV波紋PP時(shí)，DVDD供應(yīng)并沒有在上面-95dBFS開關(guān)頻率的任何音。但是，DVDD電源還為內(nèi)部時(shí)鐘電路供電，為內(nèi)部采樣和保持電路供電。時(shí)鐘相位噪聲與開關(guān)頻率的卷積產(chǎn)生的能量在200kHz之間一直到1MHz。

盡管這里沒有顯示細(xì)節(jié)，但在19.8MHz的信號(hào)周圍沒有音調(diào)，正如ADC3444 PSR曲線所預(yù)期的那樣。

使用AVDD電源評(píng)估相同的兩個(gè)DC / DC轉(zhuǎn)換器(見框圖10)，我們得到的結(jié)果如圖11所示。在這種情況下，我們將電池加DC / DC配置連接到AVDD電源和電池加上TPS7A47到DVDD電源。

圖10：AVDD評(píng)估框圖

了解DC / DC轉(zhuǎn)換器的紋波電壓幅度和頻率，這也證實(shí)了PSRR在ADC的AVDD電源上是不夠的。因此，在將DC / DC轉(zhuǎn)換器連接到ADC AVDD電源引腳之前，我們必須降低其開關(guān)頻率幅度。

圖11：(a)和(c)ADC3444參考圖; (b)ADC3444 DC-FFT，TPS54120作為AVDD電源;

(d)采用TPS54120作為AVDD電源的ADC3444 FFT (單音周圍細(xì)節(jié))

對(duì)于參考圖，ADC3444 AVDD和DVDD電源引腳由相同的6V電池供電，但使用獨(dú)立的低噪聲LDO。(在這種情況下，TPS7A47)。查看數(shù)據(jù)，我們可以清楚地看到，開關(guān)頻率出現(xiàn)了一個(gè)非常低電平的紋波，主要是由于使用3A DC / -DC轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)40mA負(fù)載，并且這里沒有卷積。然而，存在開關(guān)頻率通過19.8MHz的音調(diào)的上轉(zhuǎn)換; 一個(gè)-102dBFS的信號(hào)顯然來自本底噪聲。圖12總結(jié)了正弦波噪聲雜散的位置。詳細(xì)信息請(qǐng)參見“在ADC中測(cè)量PSR”一文。

圖12：噪聲刺激位置

隨著DC / DC轉(zhuǎn)換器中的負(fù)載將變得更大，功率的噪聲貢獻(xiàn)將增加，如圖7所示，使得必須在DC / DC轉(zhuǎn)換器之后使用濾波策略。請(qǐng)注意，典型的噪聲增加僅在室溫下表征，并且不考慮DC / DC轉(zhuǎn)換器，外部組件或溫度的任何其他變化。

到目前為止，在這一系列博客中我們已經(jīng)看到：如何從ADC測(cè)量PSRR，評(píng)估ADC PSR隨頻率的變化，以及剛剛開發(fā)出電源不良帶來的信號(hào)鏈劣化。在本系列的其余博客中，我將介紹電源噪聲對(duì)ADC性能的影響以及DC-DC轉(zhuǎn)換器后置濾波的改進(jìn)，以及最終開發(fā)完整的解決方案。