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采用新一代开关稳压器为高速ADC供电
作者:Thomas Neu
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稳压器/整流器展厅
电源适配器, 变压器, 稳压器, 整流桥, 整流器, ...
在选择高速数据转换器时,功耗是最为重要的系统设计参数之一。不管是更长电池使用寿命的便携式设计,还是散热能力较低的小型产品,数据转换器的功耗都至关重要。

一般而言,系统设计人员都通过一个低噪线性稳压器(例如:低压降稳压器)来为数据转换器供电,而不使用开关稳压器。这是因为,他们担心开关噪声会进入转换器输出能谱,从而极大地降低AC性能。

但是,新一代的开关稳压器针对手机进行了噪声优化,使得邻近低噪放大器(LNA)和功率放大器(PA)干扰最小化,从而为我们的设计带来了改变。这些稳压器让我们可以直接通过一个DC/DC转换器来为高速数据转换器供电,并且AC性能没有明显的降低。本文将为您介绍这种设计如何能够立马使功率效率提高至少20%,最高可达到50%。

相比前几代产品,现代的一些高速转换器功耗降低了近50%,一部分原因是电源电压从3.3V降低至1.8V。由于LDO型设计的电源轨更低,LDO压降以及即将调低的有效电源轨对功率效率而言更加重要。在电路板的数字部分,一般会有许多不同的电压轨,服务于各种内核以及FPGA的I/O电压和处理器。但是,在模拟部分,仅有一些稳定无噪的电压选项可供使用,例如:5V和3.3V等。

就高速数据转换器而言,可通过一个共用5V轨线性稳压器产生一个3.3V电源。LDO稳压器1.7V压降,相当于降低35%的功耗。使用一个LDO稳压器通过3.3V总线得到1.8V ADC电源时,例如:ADS4149 ADC,线性稳压器功耗增加至约45%。这也就是说,LDO消耗了差不多一半的功率。它表明,一种低效率的电源设计多消耗一半功率是如此的容易。

开关稳压器的效率与输入电源轨没有一点关系,因此非常的节能。只要细心进行设计,便可以最小化对AC性能所产生的影响。

电源滤波

在将开关噪声同模数转换器隔离过程时,一个关键的组件便是电源滤波器,其由一个铁氧体磁珠和旁路电容组成。选择铁氧体磁珠时,需要考虑几个重要的特性。

首先,铁氧体磁珠需要有足够大的数据转换器额定电流以及较低的直流电阻(DCR),目的是最小化铁氧体磁珠本身的压降。例如,磁珠电源电流为200mA,且 DCR为1Ω时,电源压降为200mV。这可能会使ADC电压接近极限,甚至低于标准电源电压变化的建议工作状态。

其次,这种铁氧体磁珠在DC/DC转换器的开关频率和谐波下还必须具有高阻抗,目的是阻止开关噪声和开关尖峰。市售大多数铁氧体磁珠均有一个100MHz下的规定阻抗,而现代DC/DC转换器的开关频率一般都在500kHz到6MHz之间。

在我们的例子中,ADS4149评估板(EVM)使用了一个开关频率为2.25MHz的开关稳压器。本例中,我们为开关稳压器选择了TPS62590。由于DC/DC稳压器都有一个方波输出,因此还需要考虑高阶谐波。我们使用了一个村田公司提供的EMI滤波器,以在该频率范围获得较高的阻抗和极低的DC电阻。

图1比较了传统铁氧体磁珠(频率100MHz,电阻68Ω)和村田EMI滤波器的插入损耗。在50Ω环境下测量插入损耗时电源电路的阻抗非常低。因此,尽管共振频率不变,但电源滤波器的插入损耗大小可能会稍有不同。

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图1: 覆有DC/DC开关频率及其谐波的传统铁氧体磁珠和村田滤波器的插入损耗比较

电源滤波器的其它一些组件还包括旁路电容。正确选择这些电容的值,以使形成低阻抗接地通路的共振频率接近于开关频率。这样,通过铁氧体磁珠的开关噪声便可短路接地。

图2所示电源滤波器的插入损耗比较表明,正确的旁路电容值可得到一个接近开关频率的共振频率,即使与传统铁氧体磁珠(例如:EXC-ML32A680)一起使用也是如此。但是,同换用一个零欧姆(0Ω)电阻器的情况相比,低频率下并无太大差异。另一方面,村田EMI滤波器在开关频率附近有20Db的额外衰减。

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图2: DC/DC转换器开关频率及谐波条件下不同电源滤波器配置的插入损耗比较

图3显示了最终电源滤波器示意图。一个33Μf钽介质电容用于板频率去耦,而10μF、2.2 Μf和0.1Μf则为一些陶瓷电容,其拥有更窄的共振频率。

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图3: 使用最终电容值的电源滤波器示意图

AC性能

根据不同的数据转换器电源抑制比(PSRR),电源轨上一定数量的噪声仍然会进入 ADC,从而降低其AC性能。图4所示信噪比(SNR)和无尖峰动态范围(SFDR)摆动,利用ADS4149 EVM对基准电源(例如:1.8V无噪实验室电源)和使用不同电源滤波器方法的LDO及DC/DC转换器进行了比较。

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图4: 不同电源选项和滤波器(Fs = 250 Msps)输入频率的SNR(左图)和SFDR(右图)摆动情况

我们的测试结果表明,相比低噪LDO,使用开关稳压器供电时SNR性能降低程度非常小(300 MHz IF 时~0.3 dB)。不同配置的SFDR性能也几乎完全一样。

仔细查看标准化的快速傅立叶变换(FFT)图,其以输入信号开始,绘制出噪声与偏频之间的对比关系,表明使用非理想“EXC”铁氧体磁珠时尼奎斯特区的噪声底稍有变化。但是,看不出有图5所示的开关频率连通。

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图5: 输入信号标准化FFT图表明输出能谱中没有开关尖峰线

功率效率

如前所述,使用DC/DC转换器代替线性稳压器的主要好处是节能。在较早前的ADS4149 EVM实验中,LDO和开关稳压器都通过一个外部3.3V电源供电,其为一个共用模拟电源轨。表1列出了测得功率效率及其各自的静态电流。

表1: 测得功率效率及其各自的静态电流
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这种比较表明,使用LDO时,LDO本身消耗的功率几乎与ADC一样多。开关稳压器方法仅消耗32 mW(高于理想解决方案),从而实现一种非常高效的电源设计。通过将输入电压从3.3V降低至2.5V或者2.2V,可以进一步提高LDO的效率,但代价是系统成本更高,体积更大。

尽管使用的外部组件比LDO设计要多,但DC/DC转换器解决方案的尺寸可能会更小,因为新型的DC/DC转换器拥有更高的开关频率,其可以极大地缩小电感器尺寸(例如:2.25MHz时~2.2μH,代替500kHz的33μH)。

相反,线性稳压器要求更少的电源滤波,但其封装尺寸小型化受到限制,因为它们的功耗通常更高。从成本角度来看,开关稳压器解决方案可能会因组件数目较多而稍显昂贵。但是,它的高效率可以节省散热技术成本,并能降低系统功率预算。

总结

系统设计人员们迫切需要更多高功效的组件,而将高速数据转换器设计的电源架构转至开关稳压器,可以极大地降低功耗。本文为您介绍了如何在不大量牺牲AC性能的情况下,直接通过一个开关稳压器为低功耗高速数据转换器供电。
文章内容仅供参考 (投稿) (6/4/2012)
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