利用快速、高精度SAR型模數轉換器延長(cháng)電池壽命

由于A(yíng)DC驅動(dòng)SDO引腳，主機微控制器驅動(dòng)CS、CONVST和SCLK引腳，因此可通過(guò)盡可能減少所有器件的引腳電容來(lái)實(shí)現最低功耗。

對于CS和CONVST引腳，開(kāi)關(guān)頻率僅取決于吞吐速率。如前所述，SCLK頻率應設置為可支持的最大頻率，以便降低功耗。這并不矛盾：重要的是SCLK并不是自由運行——它應該僅在盡可能短的時(shí)間內激活，以便在SDO線(xiàn)路上傳播每個(gè)位檢驗的結果并控制轉換過(guò)程。這點(diǎn)依器件和分辨率而定，但通常為每位一個(gè)周期，再加上一些開(kāi)銷(xiāo);對于12位轉換器SPI接口，每次采樣約為16個(gè)SCLK周期。因此，SCLK的最小頻率為所需周期數乘以吞吐速率。

SDO線(xiàn)路的頻率取決于吞吐速率和轉換結果。雖然這個(gè)無(wú)法進(jìn)行控制，但是設計人員應該了解它會(huì )對轉換功耗造成什么影響。當結果為101010…序列時(shí)，功耗最大;當結果為全1或全0時(shí)，功耗最小。

除了降低吞吐速率之外，減小VDRIVE電壓也可明顯降低功耗。模數轉換器通過(guò)單電源引腳或單獨的電源來(lái)為模擬電路和數字接口供電。使用單獨的VDRIVE電源時(shí)，設計靈活性更高并且無(wú)需電平轉換器，因為模數接口電壓可與SPI主機的電壓相匹配。為VDRIVE 選擇可用的最低電壓時(shí)，系統功耗將最低。

圖2比較了12位ADC在VDRIVE值為3 V和1.8 V時(shí)標準SPI接口(含CS、SDO和SCLK)的典型功耗要求與總容性負載的關(guān)系，其中吞吐速率為100 kSPS、每次轉換16個(gè)SCLK周期以及最差情況SDO輸出為1010。

圖2. 典型接口功耗與容性負載的關(guān)系

ADC電路設計的其它典型構成要素包括基準電壓源和運算放大器。不言而喻，應針對低功耗認真選擇這些元件。有些基準電壓源帶有關(guān)斷模式，以便在非活動(dòng)期間降低功耗。放大器選擇視應用而定，因此應考慮到系統吞吐速率，以確保所選放大器能夠使ADC性能達到最佳，同時(shí)使功耗降至最低。

12位AD7091R專(zhuān)為低功耗應用而設計，具有一個(gè)SPI接口和一個(gè)片內精密2.5 V基準電壓源，采樣速率為1 MSPS。轉換通過(guò)CONVST引腳啟動(dòng)。片內振蕩器控制轉換過(guò)程，使之能夠優(yōu)化功耗。引腳電容很小，最大值為5 pF。寬輸入電壓范圍(2.7 V至5.25 V)允許集成到更廣泛的應用中，而不僅僅是電池供電應用。單獨的1.65 V至5.25 V VDRIVE電源則可降低功耗，并提高系統集成能力。

采樣速率為1 MSPS且VDD為3 V時(shí)，AD7091R功耗為349 μA(典型值)。由于其功率與吞吐速率成正比，因此100 kSPS時(shí)靜態(tài)電流為55 μA。不執行轉換但基準電壓源激活時(shí)，靜態(tài)電流為21.6 μA;在關(guān)斷模式下，電流僅為264 nA。AD7091R采用10引腳MSOP或LFCSP封裝。

驅動(dòng)AD7091R的典型放大器包括AD8031(針對快速吞吐速率應用)和AD8420(針對較低帶寬應用)。采用2.7 V電源供電時(shí)，AD8031的靜態(tài)功耗為750 μA(典型值);采用5 V電源供電時(shí)，AD8420的靜態(tài)功耗為70 μA(典型值)。

圖3所示為通過(guò)CR2032鋰電池供電時(shí)AD7091R的典型功耗和計算得出的電池壽命?？梢郧宄闯?，隨著(zhù)吞吐速率降低，電池壽命明顯延長(cháng)。

圖3. AD7091R電池壽命和功耗與吞吐速率的關(guān)系

與多數其它ADC相比，AD7091R可以在功耗預算上實(shí)現顯著(zhù)節省效果。例如，與最接近的可用競爭產(chǎn)品(一款不帶內部基準電壓源的器件)相比時(shí)，對于1 MSPS吞吐速率，AD7091R可使功耗降低3倍(對于3 V電源，其功耗典型值為1 mW，而比較產(chǎn)品的功耗典型值為3.9 mW)。這相當于將CR2032電池壽命延長(cháng)400小時(shí)?？紤]需要外部基準電壓源的其它器件時(shí)，節省效果更為明顯。

結論

除延長(cháng)電池壽命之外，降低功耗還有其它很多好處。產(chǎn)生的熱量變少，進(jìn)而使尺寸變小。穩定性因溫度應力降低而得以提高。由于采用更小的元件，因此PCB尺寸得以縮小;另外，由于無(wú)需散熱器之類(lèi)的配件，因此元件數量得以減少;這些使系統成本降低。

本文概述了系統設計人員在采用ADC的設計中優(yōu)化功耗時(shí)應考慮到的幾個(gè)重要因素和好處。