對(duì)于挑選高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)者而言,，功耗是最重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù),。無(wú)論是需要較長(zhǎng)電池壽命的便攜設(shè)計(jì)，還是消耗熱能較少的小型產(chǎn)品,，功耗都很關(guān)鍵,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者過(guò)去都采用低噪聲的線性穩(wěn)壓器為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電，如低壓差穩(wěn)壓器,，而不是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,，原因是他們擔(dān)心開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的輸出頻譜，從而大大降低AC性能,。

不過(guò),，較新一代經(jīng)過(guò)噪聲優(yōu)化的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(用于手機(jī))可最大限度地減少與相鄰低噪聲與功率放大器之間的干擾，從而使應(yīng)用發(fā)生了一種轉(zhuǎn)變,。它們能夠直接從一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器為高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電,，而不會(huì)顯著降低AC性能,。這一設(shè)計(jì)可立即將功率效率提高20%~25%,。

現(xiàn)代高速轉(zhuǎn)換器可較前代減少大約50%的功耗，部分原因是將電源電壓從3.3V降低到了1.8V,。在一個(gè)采用低壓差穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)中,，隨著電源軌的下降,，穩(wěn)壓器的壓差以及可用電源軌對(duì)功率效率就變得更為重要。電路板的數(shù)據(jù)部分通常有很多電壓軌,，為FPGA和處理器提供各種核心與I/O電壓,。而在模擬部分，可能只有少數(shù)“干凈”的電壓供選擇,，如3.3V和5V,。

對(duì)一個(gè)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，可以用一只線性穩(wěn)壓器,，從一個(gè)公共5V電壓軌獲得3.3V電壓,。這樣，低壓差穩(wěn)壓器上有1.7V的壓降,，相當(dāng)于約35%的功率損失,。當(dāng)采用低壓差穩(wěn)壓器(如ADS4149)，從3.3V總線上為一只ADC提供1.8V電源時(shí)(參考文獻(xiàn)1),，線性穩(wěn)壓器上的功率損耗增加到大約45%,，這意味著低壓差穩(wěn)壓器幾乎耗散了一半的功率。本例說(shuō)明低效率的電源設(shè)計(jì)可輕易損失掉50%的功率,。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率與輸入電源軌的大小沒(méi)什么關(guān)系,，因此，能節(jié)省相當(dāng)大的功率,。通過(guò)精心設(shè)計(jì),，可以將對(duì)AC性能的影響降低到最低程度。

電源濾波

隔離來(lái)自ADC開(kāi)關(guān)噪聲的一個(gè)關(guān)鍵元件是電源濾波器,，它包括一個(gè)鐵氧體磁環(huán)和旁路電容,。在選擇鐵氧體磁環(huán)時(shí)應(yīng)考慮多個(gè)關(guān)鍵特性。首先,，鐵氧體磁環(huán)必須有用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的充足額定電流,，它必須有低的DCR(直流阻抗)，以盡量減少磁環(huán)自身的壓降,。例如,，當(dāng)一個(gè)200mA電源通過(guò)一個(gè)DCR為1Ω的磁環(huán)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)200mV的壓降,。這個(gè)壓降可能將ADC上的電壓推至邊沿,，考慮到電源電壓的標(biāo)準(zhǔn)差，ADC電壓甚至可能低于建議的工作電壓,。

其次,，鐵氧體磁環(huán)必須對(duì)開(kāi)關(guān)頻率和DC/DC轉(zhuǎn)換器的諧波有高阻抗，以阻擋開(kāi)關(guān)噪聲和開(kāi)關(guān)毛刺,。市面上大多數(shù)鐵氧體磁環(huán)的阻抗是在100MHz,，而現(xiàn)代DC/DC轉(zhuǎn)換器的典型開(kāi)關(guān)頻率是500kHz~6MHz,。在我們的例子中，ADS4149評(píng)估模塊采用了一只TPS625290開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,，開(kāi)關(guān)頻率為2.25MHz(參考文獻(xiàn)2),。由于DC/DC穩(wěn)壓器是方波輸出，因此還必須考慮更高階的諧波,。Murata公司的NFM31PC276B0J3EMI濾波器在該頻率范圍內(nèi)有高阻抗和低DCR,。

圖1比較了一個(gè)采用100MHz時(shí)電阻為68Ω的Murata EMI濾波器的傳統(tǒng)鐵氧體磁環(huán)插入損耗。電源電路有低的阻抗,，在50Ω環(huán)境下測(cè)出插入損耗,。因此，電源濾波器的插入損耗量值可能有少許差異,，雖然諧振頻率并不變化,。

圖1，相比一個(gè)100 MHz時(shí)電阻為68Ω的傳統(tǒng)鐵氧體磁環(huán),，Murata公司的NFM31PC276B0J3 EMI有高的阻抗和低DCR,。

電源濾波器中的其它元件是旁路電容。選擇這些電容值時(shí),，應(yīng)使它們的諧振頻率(產(chǎn)生一個(gè)接地的低阻抗路徑)接近于開(kāi)關(guān)頻率,。這樣，通過(guò)磁環(huán)的開(kāi)關(guān)噪聲就被短路到地,。圖2的電源濾波器插入損耗比較表明,，正確的旁路電容值可產(chǎn)生一個(gè)接近于開(kāi)關(guān)頻率的諧振，即使是用于一只傳統(tǒng)鐵氧體磁環(huán),，如EXCML32A680,。不過(guò)，在低頻時(shí),，如果將其與一只0Ω電阻放在一起,，就沒(méi)有那么大差異了。另一方面,，Murata EMI濾波器提供了圍繞開(kāi)關(guān)頻率的大約20dB額外衰減,。圖3中的電源濾波器使用了一只33μF鉭電容做寬頻去耦，而10μF,、2.2μF和 0.1μF的陶瓷電容則有狹窄的諧振頻率,。

圖2，正確的旁路電容值可產(chǎn)生一個(gè)接近于FS(開(kāi)關(guān)頻率)的諧振,，即使與一個(gè)傳統(tǒng)鐵氧體磁環(huán)(如EXC-ML32A680)結(jié)合使用,。

圖3,，此電源濾波器采用了一只33μF鉭電容做寬頻去耦,，而10μF、2.2μF和 0.1μF的陶瓷電容則有狹窄的諧振頻率,。

AC性能

根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的PSRR 特性,，電源軌上某些噪聲量仍能進(jìn)入ADC，降低AC性能,。圖4是SNR與SFDR(無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)比較掃頻圖,，其中一個(gè)是用低壓差穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電源(如1.8V的實(shí)驗(yàn)室用干凈電源)，另一個(gè)是采用ADS4149評(píng)估模塊,、有不同電源濾波器選項(xiàng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器,。

圖4,，這些SNR(a)和SFDR(b)掃頻圖比較了一個(gè)用低壓差穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電源(如1.8V的實(shí)驗(yàn)室用干凈電源),，以及一個(gè)采用ADS4149評(píng)估模塊、有不同電源濾波器選項(xiàng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器,。

測(cè)試結(jié)果表明,，在300MHz的中間頻率下，當(dāng)用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電時(shí),，SNR性能比低噪聲低壓差穩(wěn)壓器下降了大約0.3dB,。而各種方式的SFDR性能幾乎相同。通過(guò)仔細(xì)觀察正態(tài)化的FFT圖(開(kāi)始于輸入信號(hào),，繪制的是噪聲與偏移頻率關(guān)系圖),，表明當(dāng)使用次優(yōu)的EXC鐵氧體磁環(huán)時(shí)，整個(gè)Nyquist區(qū)中的背景噪聲略有升高,，而沒(méi)有任何開(kāi)關(guān)頻率饋入的跡象(圖5),。

圖5,，正態(tài)化的FFT圖(開(kāi)始于輸入信號(hào)，繪制的是噪聲與偏移頻率關(guān)系圖),，表明當(dāng)使用次優(yōu)的EXC鐵氧體磁環(huán)時(shí),，整個(gè)Nyquist區(qū)中的背景噪聲略有升高，而沒(méi)有任何開(kāi)關(guān)頻率饋入的跡象,。

功率效率

用DC / DC 轉(zhuǎn)換器替代線性穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能,。在用ADS4149評(píng)估模塊做的所有實(shí)驗(yàn)中，分別采用了外接3.3V電源和一個(gè)公共的模擬電源軌,，為低壓差穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電,。表1給出了測(cè)得的功率效率，以及它們相應(yīng)的靜態(tài)電流,。這種比較表明,，低壓差穩(wěn)壓器的功耗幾乎總是比ADC高得多。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器功耗較一個(gè)理想方案只高32mW,，從而獲得了一個(gè)高效的電源設(shè)計(jì),。當(dāng)逐步下調(diào)輸入電壓時(shí)(從3.3V起，再到2.5V或2.2V),，可以進(jìn)一步提高低壓差穩(wěn)壓器的效率,，但要付出更高系統(tǒng)成本和更大體積的代價(jià)。

雖然DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)需要較低壓差設(shè)計(jì)更多的外接元件,，但其總體占位面積卻可能更小,，因?yàn)檩^新型DC/DC轉(zhuǎn)換器有更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而大大降低了電感的體積,，例如,，在500kHz下需要33μH，而在2.25MHz下只要約2.2μH,。

表1：轉(zhuǎn)換器的比較

反之,，線性穩(wěn)壓器可能不需要電源濾波，但它們也有體積限制,，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ纳⒏喙β?。從成本角度看，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可能成本略高,，因?yàn)樵?shù)量較多,。不過(guò)，增加的效率可以抵消散熱技術(shù)以及系統(tǒng)功率預(yù)算的成本(參考文獻(xiàn)3與4)。

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者尋求更高功率效率的元件時(shí),，采用將高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的電源架構(gòu)改為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的方法,，可以節(jié)省大量的能耗。你可以用一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器直接為一個(gè)低功耗的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換供電,，而不會(huì)明顯降低其AC性能,。