【導(dǎo)讀】精密測(cè)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(diǎn)尤為明顯，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)更加需要具有精密測(cè)量能力的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，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(chǎng)儀表的工業(yè)信號(hào)鏈。在這些場(chǎng)景中，電源效率越高，意味著電池使用時(shí)間越長(zhǎng)，維護(hù)越少，電源設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)單。
通常，精密測(cè)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(shí)現(xiàn)更高效率電源解決方案的途徑。實(shí)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(cè)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(jià)是會(huì)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(shí)是非常好的——超過此頻率時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(shì)。
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(cè)信號(hào)超過遲滯上限時(shí)，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(duì)輸出充電。
圖2. PWM(上圖)和遲滯模式(下圖)——效率與負(fù)載電流的關(guān)系
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(duì)于數(shù)mA的負(fù)載，其在kHz范圍內(nèi)。在數(shù)kHz時(shí)，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。
以圖3所示電路為例，它使用AD7980ADC；在全吞吐速率(1 MSPS)時(shí)，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(huì)按比例線性下降。這可從圖4看出：采用5 V電壓軌供電時(shí)， 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(duì)于ADC的5 V輸入范圍，這相當(dāng)于
圖3. AD7980和ADP5300應(yīng)用電路
圖4. ADP5300為AD7980供電時(shí)的遲滯開關(guān)紋波(交流耦合)，以及1 MSPS吞吐速率時(shí)的ADC FFT輸出中的紋波音
出現(xiàn)在ADC輸出端的這種紋波水平對(duì)一個(gè)16位轉(zhuǎn)換器而言是非常低的；5 μV峰峰值對(duì)應(yīng)于16位下的0.07 LSB。這種水平的紋波會(huì)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(huì)看到它。此輸出紋波對(duì)應(yīng)的PSRR為
該要求與圖1所示相似，AD7980在4.5 kHz時(shí)的PSRR約為77 dB。
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(shí)，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?yàn)樵谠擃l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(shí)的遲滯開關(guān)紋波(交流耦合)，以及10 kSPS吞吐速率時(shí)的ADC FFT輸出中的紋波音
圖6對(duì)照顯示了ADP5300和LDO在不同ADC吞吐速率時(shí)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(shí)是90%對(duì)50%(針對(duì)5 V輸入)，在較低ADC吞吐速率/較低電流消耗時(shí)保持得也更好，始終高于80%，直至5 kSPS。
圖6. ADP5300和LDO的效率與ADC吞吐速率的關(guān)系
ADC吞吐速率為1 MSPS且使用LDO時(shí)，從5 V電壓軌消耗的電流為1.5 mA或7.5 mW。使用ADP5300時(shí)，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%。
使用ADP5300作為VDD電源以及10 kHz近滿量程輸入信號(hào)(−0.5 dB)，AD7980在1 MSPS時(shí)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(cè)規(guī)格。然而，ADP5300的4.5 kHz開關(guān)紋波會(huì)在輸入信號(hào)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(hào)的二次諧波引入的THD(其在20 kHz時(shí)為−103.8 dBFS)。在16位水平時(shí)，這些偽像只是一個(gè)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(shì)，這是完全可以接受的。
圖7. AD7980使用ADP5300作為VDD電源時(shí)的性能基波信號(hào)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(gè)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(huì)出現(xiàn)在ADC FFT輸出中。當(dāng)STOP處于高電平時(shí)，ADP5300的STOP引腳就會(huì)阻止SW引腳切換。在對(duì)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(shí)現(xiàn)這一功能，CNV信號(hào)和STOP信號(hào)應(yīng)連在一起(參見圖3)，并且對(duì)來自處理器的CNV信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，使其在ADC轉(zhuǎn)換時(shí)保持高電平。對(duì)于AD7980，此時(shí)間最大值為710 ns，轉(zhuǎn)換在CNV上升沿啟動(dòng)。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?yàn)橹挥性谔囟〞r(shí)間，SW節(jié)點(diǎn)才會(huì)開啟和調(diào)節(jié)。另請(qǐng)注意，從STOP信號(hào)變?yōu)榈碗娖降絊W開啟的時(shí)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(shí)，我們不能使用STOP特性，因?yàn)镾W引腳將沒有足夠的時(shí)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(shí)有效。
圖8. 500 kSPS時(shí)使用STOP功能的ADP5300開關(guān)紋波(黃色)、CNV/STOP信號(hào)(藍(lán)色)及ADP5300的SW引腳(粉紅)
從圖9可以看出，使用STOP信號(hào)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(hào)時(shí)，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(shí)，由于SW引腳上的振鈴，使用STOP特性的效率會(huì)下降。對(duì)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(<50%)，并且提供了一個(gè)功耗>
圖9. AD7980使用ADP5300作為VDD電源時(shí)的性能，STOP特性時(shí)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(gè)電感，2.2 μH電感可以小到0603封裝，而對(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(延長(zhǎng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)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。
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