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入門:使用開關(guān)穩(wěn)壓器為高速 ADC 供電的好處

2022-11-04
來源:21ic電子網(wǎng)

  功耗是設(shè)計人員選擇高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最重要的系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)之一,。無論是在需要更長電池壽命的便攜式設(shè)計中,,還是對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)而不是開關(guān)穩(wěn)壓器為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電,,因為他們擔(dān)心開關(guān)噪聲會進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的輸出頻譜并顯著降低交流性能。

  然而,,用于手機的新一代噪聲優(yōu)化開關(guān)穩(wěn)壓器可最大限度地減少對附近低噪聲和功率放大器的干擾,,從而在實踐中做出改變。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,,而不會顯著降低交流性能,。此設(shè)計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)計中,,隨著電源軌的降低,,穩(wěn)壓器的壓差和可用電源軌對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”選項可用,,例如 3.3 和 5V,。

  對于高速數(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,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,。這個例子說明了低效電源設(shè)計是多么容易失去 50% 的功率降低。開關(guān)穩(wěn)壓器的效率完全獨立于輸入電源軌,,因此可以顯著節(jié)省功耗,。通過精心設(shè)計,您可以最大限度地減少對交流性能的影響,。

  電源濾波

  將開關(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。選擇鐵氧體磁珠時應(yīng)考慮幾個關(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 DCR 為 1Ω 的磁珠的 200 mA 電源電流會導(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,,這種壓降可能會將 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)換器的開關(guān)頻率和諧波下具有高阻抗,,以阻止開關(guān)噪聲和開關(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)換器的開關(guān)頻率通常為 500 kHz 至 6 MHz,。在我們的示例中,,ADS4149 評估模塊使用開關(guān)頻率為 2.25 MHz 的 TPS625290 開關(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)境中測量的。因此,電源濾波器的插入損耗幅度可能會略有不同,,盡管諧振頻率不會改變,。

  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關(guān)頻率,。因此,通過磁珠的開關(guān)噪聲對地短路,。電源濾波器的插入損耗比較 表明,,適當(dāng)?shù)呐月冯娙葜禃a(chǎn)生接近開關(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,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進(jìn)入 ADC 并降低其交流性能。 SNR 和 SFDR(無雜散動態(tài)范圍)掃描比較了 基準(zhǔn)電源,,例如 1.8V,、干凈的實驗室電源、低壓差穩(wěn)壓器和具有不同電源濾波器選項的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器ADS4149 評估模塊,。

  測試結(jié)果表明,,與在 300 MHz 中頻下的低噪聲低壓差穩(wěn)壓器相比,由開關(guān)穩(wěn)壓器供電時,,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,,該圖從輸入信號開始,繪制噪聲與偏移頻率的關(guān)系圖,,顯示使用次優(yōu) EXC 鐵氧體磁珠時奈奎斯特區(qū)的本底噪聲略有升高,,但沒有任何開關(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)點是節(jié)能,。在 ADS4149 評估模塊的所有實驗中,,一個外部 3.3V 電源(一個公共模擬電源軌)為低壓差和開關(guān)穩(wěn)壓器供電。測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,。開關(guān)穩(wěn)壓器的功耗僅比理想方法多 32 mW,實現(xiàn)了高效的電源設(shè)計,。您可以通過降低輸入電壓(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,,但代價是增加了系統(tǒng)成本和尺寸。

  盡管具有比低壓差設(shè)計更多的外部組件,,但 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計的總體占位面積可能更小,,因為較新的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有更高的開關(guān)頻率,從而大大減小了電感器的尺寸,,例如,,對于 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,,因為它們通常會消耗更多功率,。從成本的角度來看,由于元件數(shù)量更多,,開關(guān)穩(wěn)壓器可能會稍微貴一些,。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)計中的電源架構(gòu)更改為開關(guān)穩(wěn)壓器可以大大節(jié)省功耗。您可以直接從開關(guān)穩(wěn)壓器為低功耗,、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器供電,,而不會顯著降低其交流性能。



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