用開(kāi)關(guān)穩壓器為高速ADC供電

對于挑選高速數據轉換器的設計者而言，功耗是最重要的系統設計參數。無(wú)論是需要較長(cháng)電池壽命的便攜設計，還是消耗熱能較少的小型產(chǎn)品，功耗都很關(guān)鍵。系統設計者過(guò)去都采用低噪聲的線(xiàn)性穩壓器為數據轉換器供電，如低壓差穩壓器，而不是開(kāi)關(guān)穩壓器，原因是他們擔心開(kāi)關(guān)噪聲會(huì )進(jìn)入轉換器的輸出頻譜，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)穩壓器(用于手機)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，從而使應用發(fā)生了一種轉變。它們能夠直接從一個(gè)DC/DC轉換器為高速數據轉換器供電，而不會(huì )顯著(zhù)降低AC性能。這一設計可立即將功率效率提高20%~25%。

現代高速轉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)采用低壓差穩壓器的設計中，隨著(zhù)電源軌的下降，穩壓器的壓差以及可用電源軌對功率效率就變得更為重要。電路板的數據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“干凈”的電壓供選擇，如3.3V和5V。

對一個(gè)高速數據轉換器來(lái)說(shuō)，可以用一只線(xiàn)性穩壓器，從一個(gè)公共5V電壓軌獲得3.3V電壓。這樣，低壓差穩壓器上有1.7V的壓降，相當于約35%的功率損失。當采用低壓差穩壓器(如ADS4149)，從3.3V總線(xiàn)上為一只ADC提供1.8V電源時(shí)(參考文獻1)，線(xiàn)性穩壓器上的功率損耗增加到大約45%，這意味著(zhù)低壓差穩壓器幾乎耗散了一半的功率。本例說(shuō)明低效率的電源設計可輕易損失掉50%的功率。開(kāi)關(guān)穩壓器的效率與輸入電源軌的大小沒(méi)什么關(guān)系，因此，能節省相當大的功率。通過(guò)精心設計，可以將對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)應考慮多個(gè)關(guān)鍵特性。首先，鐵氧體磁環(huán)必須有用于數據轉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準差，ADC電壓甚至可能低于建議的工作電壓。

其次，鐵氧體磁環(huán)必須對開(kāi)關(guān)頻率和DC/DC轉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。市面上大多數鐵氧體磁環(huán)的阻抗是在100MHz，而現代DC/DC轉換器的典型開(kāi)關(guān)頻率是500kHz~6MHz。在我們的例子中，ADS4149評估模塊采用了一只TPS625290開(kāi)關(guān)穩壓器，開(kāi)關(guān)頻率為2.25MHz(參考文獻2)。由于DC/DC穩壓器是方波輸出，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)傳統鐵氧體磁環(huán)(如EXC-ML32A680)結合使用。

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

根據數據轉換器的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)是用低壓差穩壓器的基準電源(如1.8V的實(shí)驗室用干凈電源)，另一個(gè)是采用ADS4149評估模塊、有不同電源濾波器選項的DC/DC轉換器。

圖4，這些SNR(a)和SFDR(b)掃頻圖比較了一個(gè)用低壓差穩壓器的基準電源(如1.8V的實(shí)驗室用干凈電源)，以及一個(gè)采用ADS4149評估模塊、有不同電源濾波器選項的DC/DC轉換器。

測試結果表明，在300MHz的中間頻率下，當用開(kāi)關(guān)穩壓器供電時(shí)，SNR性能比低噪聲低壓差穩壓器下降了大約0.3dB。而各種方式的SFDR性能幾乎相同。通過(guò)仔細觀(guān)察正態(tài)化的FFT圖(開(kāi)始于輸入信號，繪制的是噪聲與偏移頻率關(guān)系圖)，表明當使用次優(yōu)的EXC鐵氧體磁環(huán)時(shí)，整個(gè)Nyquist區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，繪制的是噪聲與偏移頻率關(guān)系圖)，表明當使用次優(yōu)的EXC鐵氧體磁環(huán)時(shí)，整個(gè)Nyquist區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 轉換器替代線(xiàn)性穩壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是節能。在用ADS4149評估模塊做的所有實(shí)驗中，分別采用了外接3.3V電源和一個(gè)公共的模擬電源軌，為低壓差穩壓器和開(kāi)關(guān)穩壓器供電。表1給出了測得的功率效率，以及它們相應的靜態(tài)電流。這種比較表明，低壓差穩壓器的功耗幾乎總是比ADC高得多。開(kāi)關(guān)穩壓器功耗較一個(gè)理想方案只高32mW，從而獲得了一個(gè)高效的電源設計。當逐步下調輸入電壓時(shí)(從3.3V起，再到2.5V或2.2V)，可以進(jìn)一步提高低壓差穩壓器的效率，但要付出更高系統成本和更大體積的代價(jià)。

雖然DC/DC轉換器設計需要較低壓差設計更多的外接元件，但其總體占位面積卻可能更小，因為較新型DC/DC轉換器有更高的開(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：轉換器的比較

反之，線(xiàn)性穩壓器可能不需要電源濾波，但它們也有體積限制，因為它們通常要耗散更多功率。從成本角度看，開(kāi)關(guān)穩壓器可能成本略高，因為元件數量較多。不過(guò)，增加的效率可以抵消散熱技術(shù)以及系統功率預算的成本(參考文獻3與4)。

當系統設計者尋求更高功率效率的元件時(shí)，采用將高速數據轉換器設計中的電源架構改為開(kāi)關(guān)穩壓器的方法，可以節省大量的能耗。你可以用一個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器直接為一個(gè)低功耗的高速數據轉換供電，而不會(huì )明顯降低其AC性能。