線性與開關(guān)電源有何不同之處？

通常我們都知道，RF 采樣(或 GSPS)ADC 可對(duì)寬帶寬進(jìn)行數(shù)字化處理，在系統(tǒng) 設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)這些 GSPS ADC，業(yè)界正在力求 降低電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、尺寸和成本。若足夠重視設(shè)計(jì)、元件選 型和 PCN 布局，則能夠?yàn)?GSPS ADC 供電的低噪聲、高性價(jià)比 PDN 是有可能實(shí)現(xiàn)的。因此，經(jīng)過(guò)部署后，開關(guān)穩(wěn)壓器還有助 于改善電源系統(tǒng)的效率，并節(jié)省運(yùn)作成本和 BOM，同時(shí)不會(huì)影 響性能。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 在任何依賴外部(模擬)世界收集信息進(jìn)行 (數(shù)字)處理的系統(tǒng)中都是不可或缺的組成部分。從通信接收機(jī) 到數(shù)字測(cè)試和測(cè)量再到軍事和航空航天—此處僅舉數(shù)例—這些 系統(tǒng)在不同的應(yīng)用中各有不同。硅片處理技術(shù)的發(fā)展(比如 65 nm CMOS 和 28 nm CMOS)使高速 ADC 得以跨越 GSPS(每秒千兆) 門檻。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這意味著能用于數(shù)字處理的采樣 帶寬越來(lái)越寬。出于環(huán)境和成本方面的考慮，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不斷 嘗試降低總功耗。一般而言，ADC 制造商建議采用低噪聲 LDO (低壓差)穩(wěn)壓器為 GSPS(或 RF 采樣)ADC 供電，以便達(dá)到最 高性能。然而，這種方式的輸電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 效率不高。設(shè)計(jì)人員 對(duì)于使用開關(guān)穩(wěn)壓器直接為 GSPS ADC 供電且不會(huì)大幅降低 ADC 性能的方法呼聲漸高。

解決方案是謹(jǐn)慎地進(jìn)行 PDN 部署和布局布線，確保 ADC 性能不 受影響。本文討論了線性和開關(guān)電源的不同之處，并表明 GSPS ADC 與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器搭配使用可大幅改善系統(tǒng)能效，且不會(huì)影 響 ADC 性能。本文通過(guò)輸電網(wǎng)絡(luò)組合探討 GSPS ADC 性能，并 對(duì)成本和性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

通常建議 GSPS ADC 使用的 PDN

高帶寬、高采樣速率 ADC(或 GSPS ADC)可以具有多個(gè)電源 域(比如 AVDD 或 DVDD)。隨著尺寸的縮小，不僅電源域的 數(shù)量增加，為 ADC 供電所需的不同電壓數(shù)量也有所增加。例如，AD9250,1 是一款 14 位、170 MSPS/250 MSPS、JESD204B 雙通道 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用 180 nm CMOS 工藝制造，具有 3 個(gè)域：AVDD、 DVDD 和 DRVDD。然而，所有 3 個(gè)域都具有相同的電壓：1.8 V。

現(xiàn)在，來(lái)看一下 AD9680,2 ：一款 14 位、1.25 GSPS/1 GSPS/820 MSPS/500 MSPS JESD204B 雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用 65 nm CMOS 工藝制造。這款 GSPS ADC 具有 7 個(gè)不同的域(AVDD1、 AVDD1_SR、AVDD2、AVDD3、DVDD、DRVDD 和 SPIVDD)， 以及 3 個(gè)不同的電壓：1.25 V、2.5 V 和 3.3 V。

ADP23843 和 ADP21644DC-DC 轉(zhuǎn)換器用于使電壓下降到可控水 平，以便 LDO 能夠在不進(jìn)入熱關(guān)斷的情況下進(jìn)行穩(wěn)壓操作。這 些電源域和各種電壓的日益普及是在這些采樣速率下工作所必 需的。它們可以確保各種電路域(比如采樣、時(shí)鐘、數(shù)字和串行 器)之間具有正確的隔離，同時(shí)使性能最優(yōu)。正是因?yàn)檫@個(gè)原因， ADC 制造商才設(shè)計(jì)了評(píng)估板，并推薦詳細(xì)的電源設(shè)計(jì)方案，確保 最大程度降低風(fēng)險(xiǎn)，使性能最大化。例如，圖 1 顯示了 AD9680 評(píng)估板使用的默認(rèn) PDN 的功能框圖。根據(jù) Vita57.1 規(guī)格，電源輸 入來(lái)自 FMC(FPGA 夾層卡)連接器供應(yīng)的 12 V/1 A 和 3.3 V/3 A 電源。

圖 1. 用于 AD9680 評(píng)估板的默認(rèn) PDN

顯而易見，這是一種昂貴的解決方案，有 7 個(gè) LDO 穩(wěn)壓器，每 個(gè)域一個(gè)。這款 PDN 也許是性能最優(yōu)的，但肯定不是最具性價(jià) 比或運(yùn)行成本效率最高的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為部署含有多個(gè) ADC 的系統(tǒng)非常有難度。例如，相控陣?yán)走_(dá)方案包含成百個(gè) AD9680，全都以同步方式工作。要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為上百個(gè) ADC 的每一個(gè)電壓域都分配一個(gè) LDO 穩(wěn)壓器是不合理的。

用于 GSPS ADC 的更簡(jiǎn)單的 PDN

一種更具性價(jià)比的 PDN 設(shè)計(jì)方案是將具有同樣電壓值(比如所 有的 1.25 V 模擬域)的域組合起來(lái)，然后用同一個(gè) LDO 來(lái)驅(qū) 動(dòng)。這樣可以減少元件數(shù)(以及物料清單—BOM—成本)，這 可能適合某些設(shè)計(jì)。其簡(jiǎn)化 PDN 如圖 2 所示;該圖為 AD9680 評(píng)估板的部署。在該部署中，整個(gè) AD9680 都可以使用 3.3 V 輸入供電。

圖 2. AD9680 評(píng)估板的簡(jiǎn)化 PDN

驅(qū)動(dòng) AD9680 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

通過(guò)移除為 1.25 V 域供電的單個(gè) LDO，還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化 PDN。 這是最高效、最具性價(jià)比的解決方案。這種方案的困難之處在于 確保 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的操作穩(wěn)定性，從而不影響 ADC 性能。 ADP2164 驅(qū)動(dòng) AD9680 所有 1.25 V 域(AVDD1、AVDD1_SR、 DVDD 和 DRVDD)的 PDN 如圖 3 所示。

圖 3. 使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器為 AD9680 供電