動(dòng)態(tài)功耗調(diào)節(jié)介紹

Bruce Petipas 應(yīng)用工程師 ADI公司

在今天的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)中，需要不斷突破性能極限。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要更高的速度、更低的噪聲和更優(yōu)的總諧波失真(THD)性能，所有這些都有可能實(shí)現(xiàn)，但卻并非免費(fèi)。實(shí)現(xiàn)這些性能改進(jìn)通常需要更大的工作電流，而更大的工作電流則會(huì)產(chǎn)生更高的功耗。但是，在許多應(yīng)用中，功耗敏感性也越來(lái)越受關(guān)注。原因有很多種?？赡苁怯捎趹?yīng)用是一種利用紐扣電池進(jìn)行工作的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，其主要關(guān)注點(diǎn)是電池壽命。也可能是由于應(yīng)用是一種多通道系統(tǒng)，其通道數(shù)較多、電路密度較高，會(huì)造成熱量集中，從而產(chǎn)生由溫度引起的漂移問題。無(wú)論何種情況，最大限度降低電流消耗和功耗都是重中之重。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須權(quán)衡更高性能和更低功耗帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。解決此問題的一種途徑是借助一個(gè)稱為動(dòng)態(tài)功耗調(diào)節(jié)(DPS)的過程。

簡(jiǎn)單而言，DPS就是一個(gè)在需要時(shí)啟用電子元件、在不需要時(shí)禁用電子元件的動(dòng)態(tài)過程。圖1所示為一個(gè)典型的基于SAR型ADC的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。SAR型ADC的一個(gè)主要屬性是其功耗隨吞吐速率而變化，這使其非常適合功耗敏感型應(yīng)用。以往，ADC驅(qū)動(dòng)器和基準(zhǔn)電壓源緩沖器不能與SAR一樣享有自動(dòng)功耗調(diào)節(jié)功能。它們通常會(huì)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)上電并啟用，這樣會(huì)消耗過多的電能。假設(shè)啟用時(shí)間足夠短，便可以動(dòng)態(tài)方式驅(qū)動(dòng)放大器關(guān)斷引腳，從而禁用ADC轉(zhuǎn)換之間的放大器。這就是動(dòng)態(tài)功耗調(diào)節(jié)。通過對(duì)放大器運(yùn)用DPS，可大幅降低其平均電流消耗。借助DPS，放大器靜態(tài)電流隨關(guān)斷引腳正在被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載周期而變化。理論平均靜態(tài)電流可由下式得出

其中：

X IAVG 為平均DPS靜態(tài)電流
X IQ_ON 為已啟用的放大器的靜態(tài)電流
X IQ_OFF 為已禁用的放大器的靜態(tài)電流
X tON 為啟用放大器的時(shí)間
X tS 為采樣頻率周期

本文的其余部分將聚焦于ADC驅(qū)動(dòng)器放大器，但DPS概念也可運(yùn)用至基準(zhǔn)電壓源緩沖器，而且得到的結(jié)果類似。

圖2顯示了ADC驅(qū)動(dòng)器放大器在一直啟用時(shí)的理論效率提升。fR處的豎直基準(zhǔn)線代表ADC功耗等于一直啟用的驅(qū)動(dòng)器放大器的功耗時(shí)的采樣頻率。采樣速率較低時(shí)，放大器的功耗占主導(dǎo)，采樣速率較高時(shí)，ADC的功耗占主導(dǎo)?；鶞?zhǔn)頻率(fR)將隨放大器和選定ADC的功耗而變化，但基本概念依然相同。進(jìn)行功耗調(diào)節(jié)的同一放大器的相對(duì)效率提升以三種不同的tON值顯示。不出所料，采樣速率給定時(shí)，更小的tON會(huì)產(chǎn)生更高的效率，并且能夠以更高的采樣速率運(yùn)用DPS。陰影區(qū)域表明，逐漸減小tON產(chǎn)生的最大提升區(qū)域一般會(huì)延伸至約10個(gè)fR以下。由于采樣速率會(huì)繼續(xù)降至此點(diǎn)以下，因此可實(shí)現(xiàn)最大的整體功耗節(jié)約，但進(jìn)一步減小tON帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)可以忽略不計(jì)，因?yàn)楣闹饾u接近關(guān)斷或禁用狀態(tài)的功耗。

要利用DPS獲得最高的性能，系統(tǒng)時(shí)序和確定最小tON至關(guān)重要。

圖3所示為ADC和驅(qū)動(dòng)器放大器的簡(jiǎn)化時(shí)序圖。圖1中的系統(tǒng)時(shí)序功能塊(FPGA、DSP和微控制器)可提供恰當(dāng)?shù)亩〞r(shí)ADC轉(zhuǎn)換開始(CNV)和放大器關(guān)斷(PD)信號(hào)。SAR型ADC會(huì)在CNV的上升沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在CNV的上升沿前，放大器在ADC采集階段上電一段時(shí)間(tON)，然后與CNV的上升沿同步關(guān)斷。tON的值為多大才恰當(dāng)？

雖然圖2說(shuō)明了使用隨機(jī)的tON值時(shí)的概念，但其清楚表明，DPS的全部?jī)r(jià)值將僅在使用最小tON時(shí)實(shí)現(xiàn)。這是放大器必須在ADC轉(zhuǎn)換開始前啟用以確保結(jié)果準(zhǔn)確的最短時(shí)間。更短的時(shí)間將導(dǎo)致SNR或THD降低，更長(zhǎng)的時(shí)間將不會(huì)引起任何性能提升。實(shí)際上最小tON在整個(gè)采樣速率范圍內(nèi)并非固定，并且必須根據(jù)具體應(yīng)用，用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。最小tON因不同的放大器和系統(tǒng)而異。例如，如果在圖1的電路中使用ADA4805-1和AD7980的放大器/ADC組合，則最小tON會(huì)隨著采樣速率的增大而減小。通常，1 kSPS時(shí)需要~4 μs，而1 MSPS時(shí)則只需要~600 ns。采樣速率較低時(shí)，由于處于關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)，因而較長(zhǎng)的一段時(shí)間會(huì)為內(nèi)部放大器節(jié)點(diǎn)放電提供更多的時(shí)間，因而開啟時(shí)間更長(zhǎng)。相反地，采樣速率更高時(shí)，此時(shí)間段更短，因而內(nèi)部放電時(shí)間更短。事實(shí)上，隨著采樣速率提高，有限的放大器關(guān)斷時(shí)間將變得長(zhǎng)于在關(guān)斷狀態(tài)消耗的時(shí)間。實(shí)際上，放大器在完成關(guān)斷過程前就已經(jīng)重新開啟。這看起來(lái)是人為式的快速開啟時(shí)間，但在性能數(shù)據(jù)未減小時(shí)卻十分有效。

預(yù)測(cè)潛在功耗節(jié)省量時(shí)需要考慮的最后一點(diǎn)是輸入信號(hào)頻率的影響。迄今為止，我們已通過使用給定放大器的計(jì)算靜態(tài)電流對(duì)DPS的概念進(jìn)行說(shuō)明。將一個(gè)信號(hào)施加在放大器輸入時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)隨輸入信號(hào)頻率增大而增大的動(dòng)態(tài)電流。如果輸入頻率足夠低，影響微乎其微。隨著頻率增大，放大器輸出端的RC網(wǎng)絡(luò)會(huì)顯示更大的負(fù)載，因而需要放大器提供更大的電流來(lái)處理此信號(hào)。

使用前面提及的ADA4805-1和AD7980并將這些概念綜合在一起便可得到圖4中的曲線。此圖顯示了進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗調(diào)節(jié)的ADC驅(qū)動(dòng)器放大器相對(duì)于同樣的放大器在一直啟用時(shí)的功耗(用百分比表示)。我們繪制了選定輸入頻率下的DPS效率圖，用以描述更高的輸入頻率對(duì)功耗的影響。我們確定了介于1 kSPS至1 MSPS之間的多個(gè)采樣速率的最小tON，并將其定義為導(dǎo)致SINAD (信噪失真比)與一直啟用的放大器相比減小不超過0.5 dB的tON。此圖顯示，在低采樣速率下處理緩慢輸入信號(hào)時(shí)，功耗節(jié)省量最高可達(dá)95%。但對(duì)更高吞吐量的系統(tǒng)而言更重要的是，潛在功耗節(jié)省量仍然非常高，在100 kSPS時(shí)最高可達(dá)65%，在1 MSPS時(shí)最高可達(dá)35%。必須注意，圖4反映的是一個(gè)單位增益緩沖器在持續(xù)被采樣的系統(tǒng)中的性能。但是，如之前所述，可將這些DPS概念輕松運(yùn)用至基準(zhǔn)電壓源緩沖器，而且得到的結(jié)果類似。

雖然DPS是一種相對(duì)較新的概念，而且需要考慮設(shè)計(jì)和時(shí)序因素，但是其初步成果非常有效。很明顯，對(duì)更高性能和更低功耗的渴望將延續(xù)到未來(lái)，從而進(jìn)一步增加對(duì)創(chuàng)意低功耗解決方案的需求。

作者簡(jiǎn)介

Bruce Petipas是ADI公司線性產(chǎn)品和技術(shù)部門的一位應(yīng)用工程師。他從馬薩諸塞大學(xué)獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位后，于1999年加入ADI公司。在此期間，Bruce專攻高電流放大器的各個(gè)領(lǐng)域，最近，他開始致力于ADC驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。