在選擇高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，功耗是最為重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)之一,。不管是更長(zhǎng)電池使用壽命的便攜式設(shè)計(jì),，還是散熱能力較低的小型產(chǎn)品，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的功耗都至關(guān)重要,。
一般而言,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都通過(guò)一個(gè)低噪線(xiàn)性穩(wěn)壓器（例如：低壓降穩(wěn)壓器）來(lái)為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電，而不使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,。這是因?yàn)?，他們?dān)心開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)換器輸出能譜，從而極大地降低 AC 性能,。
但是,，新一代的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器針對(duì)手機(jī)進(jìn)行了噪聲優(yōu)化，使得鄰近 LNA（低噪放大器）和 PA（功率放大器）干擾最小化,，從而為我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)了改變,。這些穩(wěn)壓器讓我們可以直接通過(guò)一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)為高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電，并且 AC 性能沒(méi)有明顯的降低,。本文將為您介紹這種設(shè)計(jì)如何能夠立馬使功率效率提高至少 20%,，最高可達(dá)到 50%。
相比前幾代產(chǎn)品,，現(xiàn)代的一些高速轉(zhuǎn)換器功耗降低了近 50%,，一部分原因是電源電壓從 3.3V 降低至 1.8V。由于 LDO 型設(shè)計(jì)的電源軌更低,，LDO 壓降以及即將調(diào)低的有效電源軌對(duì)功率效率而言更加重要,。在電路板的數(shù)字部分，一般會(huì)有許多不同的電壓軌，服務(wù)于各種內(nèi)核以及 FPGA 的 I/O 電壓和處理器,。但是,，在模擬部分，僅有一些穩(wěn)定無(wú)噪的電壓選項(xiàng)可供使用,，例如：5V 和 3.3V等,。
就高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器而言，可通過(guò)一個(gè)共用5V軌線(xiàn)性穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè) 3.3V 電源,。LDO 穩(wěn)壓器 1.7V 壓降,，相當(dāng)于降低 35% 的功耗。使用一個(gè) LDO 穩(wěn)壓器通過(guò) 3.3V 總線(xiàn)得到 1.8V ADC電源時(shí),，例如：ADS4149 ADC,，線(xiàn)性穩(wěn)壓器功耗增加至約 45%。這也就是說(shuō),，LDO 消耗了差不多一半的功率,。它表明，一種低效率的電源設(shè)計(jì)多消耗一半功率是如此的容易,。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率與輸入電源軌沒(méi)有一點(diǎn)關(guān)系,，因此非常的節(jié)能,。只要細(xì)心進(jìn)行設(shè)計(jì),，便可以最小化對(duì) AC 性能所產(chǎn)生的影響。
電源濾波
在將開(kāi)關(guān)噪聲同模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 隔離過(guò)程時(shí),，一個(gè)關(guān)鍵的組件便是電源濾波器,，其由一個(gè)鐵氧體磁珠和旁路電容組成。選擇鐵氧體磁珠時(shí),，需要考慮幾個(gè)重要的特性,。
首先，鐵氧體磁珠需要有足夠大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器額定電流以及較低的直流電阻 (DCR),，目的是最小化鐵氧體磁珠本身的壓降,。例如，磁珠電源電流為 200mA,，且 DCR 為 1Ω 時(shí),，電源壓降為 200mV。這可能會(huì)使 ADC 電壓接近極限,，甚至低于標(biāo)準(zhǔn)電源電壓變化的建議工作狀態(tài),。
圖 1 覆有 DC/DC 開(kāi)關(guān)頻率及其諧波的傳統(tǒng)鐵氧體磁珠和村田 (Murata) 濾波器的插入損耗比較
其次，這種鐵氧體磁珠在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率和諧波下還必須具有高阻抗,，目的是阻止開(kāi)關(guān)噪聲和開(kāi)關(guān)尖峰,。市售大多數(shù)鐵氧體磁珠均有一個(gè) 100 MHz 下的規(guī)定阻抗，而現(xiàn)代 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率一般都在 500 kHz 到 6 MHz 之間,。
在我們的例子中,，ADS4149 評(píng)估板 (EVM) 使用了一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率為 2.25MHz 的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,。本例中，我們?yōu)殚_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器選擇了 TPS62590,。由于 DC/DC 穩(wěn)壓器都有一個(gè)方波輸出,，因此還需要考慮高階諧波。我們使用了一個(gè)村田公司提供的電磁干擾 (EMI) 濾波器,，以在該頻率范圍獲得較高的阻抗和極低的 DC 電阻,。
圖 1 比較了傳統(tǒng)鐵氧體磁珠（頻率 100MHz，電阻 68Ω）和村田 EMI 濾波器的插入損耗,。在 50Ω 環(huán)境下測(cè)量插入損耗時(shí)電源電路的阻抗非常低,。因此，盡管共振頻率不變,，但電源濾波器的插入損耗大小可能會(huì)稍有不同,。
圖 2 DC/DC 轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率及諧波條件下不同電源濾波器配置的插入損耗比較。
電源濾波器的其它一些組件還包括旁路電容,。正確選擇這些電容的值,，以使形成低阻抗接地通路的共振頻率接近于開(kāi)關(guān)頻率。這樣,，通過(guò)鐵氧體磁珠的開(kāi)關(guān)噪聲便可短路接地,。
圖 2 所示電源濾波器的插入損耗比較表明，正確的旁路電容值可得到一個(gè)接近開(kāi)關(guān)頻率的共振頻率,，即使與傳統(tǒng)鐵氧體磁珠（例如：EXC-ML32A680）一起使用也是如此,。但是，同換用一個(gè)零歐姆 (0Ω) 電阻器的情況相比,，低頻率下并無(wú)太大差異,。另一方面，村田EMI濾波器在開(kāi)關(guān)頻率附近有 20 Db 的額外衰減,。
圖 3 使用最終電容值的電源濾波器示意圖,。
圖 3 顯示了最終電源濾波器示意圖。一個(gè) 33 Μf 鉭介質(zhì)電容用于板頻率去耦,，而10 μF,、2.2 Μf 和 0.1 Μf 則為一些陶瓷電容，其擁有更窄的共振頻率,。
AC 性能
根據(jù)不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電源抑制比 (PSRR),，電源軌上一定數(shù)量的噪聲仍然會(huì)進(jìn)入 ADC，從而降低其 AC 性能,。圖4所示信噪比 (SNR) 和無(wú)尖峰動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR)擺動(dòng),，利用 ADS4149 EVM 對(duì)基準(zhǔn)電源（例如：1.8V 無(wú)噪實(shí)驗(yàn)室電源）和使用不同電源濾波器方法的 LDO 及 DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了比較。
圖 4a 和 4b 不同電源選項(xiàng)和濾波器（Fs = 250 Msps）輸入頻率的 SNR（上方）和SFDR（下方）擺動(dòng)情況。
我們的測(cè)試結(jié)果表明,，相比低噪 LDO,，使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電時(shí) SNR 性能降低程度非常小（300 MHz IF 時(shí)~0.3 dB）,。不同配置的 SFDR 性能也幾乎完全一樣,。
仔細(xì)查看標(biāo)準(zhǔn)化的快速傅立葉變換 (FFT) 圖，其以輸入信號(hào)開(kāi)始,，繪制出噪聲與偏頻之間的對(duì)比關(guān)系,，表明使用非理想“EXC”鐵氧體磁珠時(shí)尼奎斯特區(qū)的噪聲底稍有變化。但是,，看不出有圖5所示的開(kāi)關(guān)頻率連通,。
圖 5 輸入信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化 FFT 圖表明輸出能譜中沒(méi)有開(kāi)關(guān)尖峰線(xiàn)。
功率效率
如前所述,，使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器代替線(xiàn)性穩(wěn)壓器的主要好處是節(jié)能,。在較早前的ADS4149 EVM 實(shí)驗(yàn)中，LDO 和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都通過(guò)一個(gè)外部 3.3V 電源供電,，其為一個(gè)共用模擬電源軌,。表 1 列出了測(cè)得功率效率及其各自的靜態(tài)電流。
這種比較表明,，使用 LDO 時(shí),，LDO 本身消耗的功率幾乎與 ADC 一樣多。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器方法僅消耗 32 mW（高于理想解決方案）,，從而實(shí)現(xiàn)一種非常高效的電源設(shè)計(jì),。通過(guò)將輸入電壓從 3.3V 降低至 2.5V 或者 2.2V,，可以進(jìn)一步提高 LDO 的效率,，但代價(jià)是系統(tǒng)成本更高，體積更大,。
盡管使用的外部組件比 LDO 設(shè)計(jì)要多,，但 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案的尺寸可能會(huì)更小，因?yàn)樾滦偷?span lang="EN-US"> DC/DC 轉(zhuǎn)換器擁有更高的開(kāi)關(guān)頻率,，其可以極大地縮小電感器尺寸（例如：2.25 MHz時(shí)~2.2 μH,，代替 500 kHz 的 33 μH）。
相反,，線(xiàn)性穩(wěn)壓器要求更少的電源濾波,，但其封裝尺寸小型化受到限制，因?yàn)樗鼈兊墓耐ǔ８?。從成本角度?lái)看,，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器解決方案可能會(huì)因組件數(shù)目較多而稍顯昂貴。但是，它的高效率可以節(jié)省散熱技術(shù)成本,，并能降低系統(tǒng)功率預(yù)算,。
總結(jié)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員們迫切需要更多高功效的組件，而將高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的電源架構(gòu)轉(zhuǎn)至開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,，可以極大地降低功耗,。本文為您介紹了如何在不大量犧牲 AC 性能的情況下，直接通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為低功耗高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電,。