在功耗敏感型應(yīng)用中利用高效率 超低功耗開關(guān)穩(wěn)壓器為精密SAR ADC供電資料下載

作者：Alan Walsh 應(yīng)用工程師 ADI公司 精密測量已延伸到需要越來越高電源效率的應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的到來使這一點尤為明顯，因為物聯(lián)網(wǎng)更加需要具有精密測量能力的無線傳感器節(jié)點，電池供電的可穿戴健身/醫(yī)療設(shè)備，以及使用隔離電源供電、4 mA到20 mA環(huán)路供電或電池供電現(xiàn)場儀表的工業(yè)信號鏈。在這些場景中，電源效率越高，意味著電池使用時間越長，維護(hù)越少，電源設(shè)計越簡單。 通常，精密測量系統(tǒng)將低壓差穩(wěn)壓器(LDO)作為其電源方案的一部分，利用它來為精密ADC產(chǎn)生低噪聲電源軌。然而，LDO的功率輸出效率非常低下，大部分功率常常作為熱量損失掉。本文討論為精密逐次逼近型(SAR) ADC實現(xiàn)更高效率電源解決方案的途徑。實現(xiàn)方法是在遲滯模式下使用超低功耗開關(guān)穩(wěn)壓器，并分析性能得失——包括通過某種方式來智能控制開關(guān)穩(wěn)壓器，使之與SAR轉(zhuǎn)換同步，從而改善噪聲性能。 在中高負(fù)載電流(數(shù)百mA到數(shù)A)的測量系統(tǒng)中，固定頻率或脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)穩(wěn)壓器可非常有效地(常常大于90%)產(chǎn)生電源軌。然而，效率雖然高，但代價是會有開關(guān)紋波，其頻率通常是固定的，從數(shù)百kHz到數(shù)MHz。如圖1所示，典型精密SAR ADC的電源抑制比(PSRR)在低頻至約100 kHz時是非常好的——超過此頻率時，PSRR迅速下降。 圖1. SAR ADC模擬電源抑制與頻率的關(guān)系 精密SAR ADC以較低吞吐速率運行時，供應(yīng)VDD線的典型負(fù)載電流在數(shù)mA或μA范圍——因此，相比于LDO，使用固定頻率開關(guān)穩(wěn)壓器直接為ADC供電在效率上沒有優(yōu)勢。然而，高效率、超低功耗降壓開關(guān)穩(wěn)壓器可在遲滯模式下工作，其靜態(tài)電流非常低。 在遲滯模式下，通過調(diào)節(jié)恒定峰值電感電流，穩(wěn)壓器利用PWM脈沖使輸出電壓略高于標(biāo)稱輸出電壓。當(dāng)輸出電壓提高到輸出檢測信號超過遲滯上限時，穩(wěn)壓器進(jìn)入待機(jī)模式。在待機(jī)模式下，高端和低端MOSFET及大部分電路都禁用，靜態(tài)電流很低，效率性能很高，如圖2所示。待機(jī)模式期間，輸出電容將能量送入負(fù)載，輸出電壓降低到低于遲滯比較器下限為止。穩(wěn)壓器喚醒，產(chǎn)生PWM脈沖，再次對輸出充電。 在遲滯情況下，開關(guān)紋波頻率與負(fù)載電流和LC網(wǎng)絡(luò)有關(guān)；對于數(shù)mA的負(fù)載，其在kHz范圍內(nèi)。在數(shù)kHz時，精密ADC的PSRR非常好，能夠很好地抑制/衰減ADC數(shù)字輸出端的開關(guān)紋波。 圖2. PWM(上圖)和遲滯模式(下圖)——效率與負(fù)載電流的關(guān)系 以圖3所示電路為例，它使用AD7980ADC；在全吞吐速率(1 MSPS)時，其VDD電流消耗典型值為1.5 mA；若降低吞吐速率，電流消耗會按比例線性下降。這可從圖4看出：采用5 V電壓軌供電時，2.5 V穩(wěn)壓輸出端的開關(guān)頻率紋波為4.5 kHz和50 mV峰峰值。在ADC數(shù)字輸出端，ADC以PSRR額定值衰減此紋波。在ADC FFT輸出中，它表現(xiàn)為幅度?120 dBFS、頻率4.5 kHz的雜散。對于ADC的5 V輸入范圍，這相當(dāng)于 出現(xiàn)在ADC輸出端的這種紋波水平對一個16位轉(zhuǎn)換器而言是非常低的；5 μV峰峰值對應(yīng)于16位下的0.07 LSB。這種水平的紋波會被埋在ADC噪底中，需要大量均值操作才能發(fā)現(xiàn)，在很多應(yīng)用中都不會看到它。此輸出紋波對應(yīng)的PSRR為 該要求與圖1所示相似，AD7980在4.5 kHz時的PSRR約為77 dB。 圖3. AD7980和ADP5300應(yīng)用電路 圖4. ADP5300為AD7980供電時的遲滯開關(guān)紋波(交流耦合)，以及1 MSPS吞吐速率時的ADC FFT輸出中的紋波音 若ADC吞吐速率降低到10 kSPS，則ADC的電流消耗按比例線性下降到15 μA (約100倍)，ADP5300 的開關(guān)頻率紋波相應(yīng)地降低到46.5 Hz (約100倍)，幅度為55 mV峰峰值，如圖5所示。在46 Hz時，該紋波再次在ADC FFT輸出中出現(xiàn)，幅度為?120 dB (5 μV峰峰值)，因為在該頻率的PSRR相似。有證據(jù)表明存在93 Hz的二次諧波，其幅度更低，為?125 dB。 圖5. ADP5300為AD7980供電時的遲滯開關(guān)紋波(交流耦合)，以及10 kSPS吞 吐速率時的ADC FFT輸出中的紋波音 圖6對照顯示了ADP5300和LDO在不同ADC吞吐速率時的效率，兩種情況均采用5 V電壓軌供電，調(diào)節(jié)2.5 V輸出。同預(yù)期一樣，開關(guān)穩(wěn)壓器輸送功率的效率遠(yuǎn)勝于LDO，在1 MSPS時是90%對50%(針對5 V輸入)，在較低ADC吞吐速率/較低電流消耗時保持得也更好，始終高于80%，直至5 kSPS。ADC吞吐速率為1 MSPS且使用LDO時，從5 V電壓軌消耗的電流為1.5 mA或7.5 mW。使用ADP5300時，從5 V電壓軌消耗的電流為828 μA或4.1 mW，即ADC電源的功耗減少3.4 mW或45%。 圖6. ADP5300和LDO的效率與ADC吞吐速率的關(guān)系 使用ADP5300作為VDD電源以及10 kHz近滿量程輸入信號(?0.5 dB)，AD7980在1 MSPS時的性能如圖7所示。在SNR (91.5 dB)和THD(?103 dB)方面，ADC仍然符合數(shù)據(jù)手冊規(guī)格。然而，ADP5300的4.5 kHz開關(guān)紋波會在輸入信號上進(jìn)行調(diào)制，顯示為10 kHz – 4.5 kHz(5.5 kHz)和10 kHz 4.5 kHz (14.5 kHz)的雜散。這些雜散仍然處于非常低的水平(?116 dBFS)，遠(yuǎn)小于基波信號的二次諧波引入的THD(其在20 kHz時為?103.8 dBFS)。在16位水平時，這些偽像只是一個LSB的很小一部分，因而在許多應(yīng)用中，考慮到ADP5300穩(wěn)壓器的省電優(yōu)勢，這是完全可以接受的。 圖7. AD7980使用ADP5300作為VDD電源時的性能基波信號周圍可以看到開關(guān)紋波調(diào)制引起的邊頻帶(10 kHz ±4.5 KHz) ADP5300開關(guān)穩(wěn)壓器有一個STOP (停止)切換特性，它可以完全消除開關(guān)紋波偽像，使其不會出現(xiàn)在ADC FFT輸出中。當(dāng)STOP處于高電平時，ADP5300的STOP引腳就會阻止SW引腳切換。在對噪聲敏感的ADC轉(zhuǎn)換過程中，可利用該特性防止切換發(fā)生。為實現(xiàn)這一功能，CNV信號和STOP信號應(yīng)連在一起(參見圖3)，并且對來自處理器的CNV信號進(jìn)行定時，使其在ADC轉(zhuǎn)換時保持高電平。對于AD7980，此時間最大值為710 ns，轉(zhuǎn)換在CNV上升沿啟動。結(jié)果如圖8所示。這種情況下的紋波頻率更加變化不定，因為只有在特定時間，SW節(jié)點才會開啟和調(diào)節(jié)。另請注意，從STOP信號變?yōu)榈碗娖降絊W開啟的時間可能為數(shù)百ns。圖8中，STOP下降沿后大約850 ns，SW引腳開啟。這意味著，當(dāng)ADC吞吐速率為1 MSPS時，我們不能使用STOP特性，因為SW引腳將沒有足夠的時間來變?yōu)楦唠娖讲⒄{(diào)節(jié)，VDD電源將失去調(diào)節(jié)而崩潰。STOP功能在吞吐速率為500 kSPS或更低時有效。 圖8. 500 kSPS時使用STOP功能的ADP5300開關(guān)紋波(黃色)、CNV/STOP信號(藍(lán)色)及ADP5300的SW引腳(粉紅) 從圖9可以看出，使用STOP信號后，ADC噪底中完全不存在開關(guān)紋波雜散。當(dāng)施加10 kHz的輸入信號時，除一般諧波之外，基波周圍沒有調(diào)制。然而，當(dāng)SW引腳禁用(STOP為高電平)時，由于SW引腳上的振鈴，使用STOP特性的效率會下降。對于500 kHz的ADC吞吐速率，ADP5300的效率降至約75%。這仍然顯著高于LDO能夠?qū)崿F(xiàn)的效率( 圖9. AD7980使用ADP5300作為VDD電源時的性能，STOP特性時序根據(jù)轉(zhuǎn)換周期進(jìn)行調(diào)整 ADP5300等開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案與LDO解決方案在成本和PCB面積方面具有一定的可比性。BOM主要增加一個電感，2.2 μH電感可以小到0603封裝，而對于輸入和輸出電容，LDO解決方案同樣需要。因此，在功耗敏感型應(yīng)用中，它是LDO的有力替代方案，對精度性能并無明顯影響。 當(dāng)從5 V電源軌為AD7980等精密ADC供電時，ADP5300等高效率、超低功耗開關(guān)穩(wěn)壓器與LDO相比，可節(jié)省45%的功耗。這對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(延長無線傳感器節(jié)點或可穿戴設(shè)備的電池使用壽命)、功耗敏感型隔離式工業(yè)系統(tǒng)、4 mA至20 mA環(huán)路供電系統(tǒng)有很多好處。 作者簡介 Alan Walsh [] 是ADI公司的應(yīng)用工程師。他于1999年加入ADI公司，就職于美國馬薩諸塞州威明頓市的精密轉(zhuǎn)換器應(yīng)用部。他擁有都柏林大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。(mbbeetchina)