在功耗敏感型应用中利用高效率 超低功耗开关稳压器为精密SAR ADC供电资料下载

作者：Alan Walsh 应用工程师 ADI公司 精密测量已延伸到需要越来越高电源效率的应用领域。物联网的到来使这一点尤为明显，因为物联网更加需要具有精密测量能力的无线传感器节点，电池供电的可穿戴健身/医疗设备，以及使用隔离电源供电、4 mA到20 mA环路供电或电池供电现场仪表的工业信号链。在这些场景中，电源效率越高，意味着电池使用时间越长，维护越少，电源设计越简单。 通常，精密测量系统将低压差稳压器(LDO)作为其电源方案的一部分，利用它来为精密ADC产生低噪声电源轨。然而，LDO的功率输出效率非常低下，大部分功率常常作为热量损失掉。本文讨论为精密逐次逼近型(SAR) ADC实现更高效率电源解决方案的途径。实现方法是在迟滞模式下使用超低功耗开关稳压器，并分析性能得失——包括通过某种方式来智能控制开关稳压器，使之与SAR转换同步，从而改善噪声性能。 在中高负载电流(数百mA到数A)的测量系统中，固定频率或脉宽调制(PWM)开关稳压器可非常有效地(常常大于90%)产生电源轨。然而，效率虽然高，但代价是会有开关纹波，其频率通常是固定的，从数百kHz到数MHz。如图1所示，典型精密SAR ADC的电源抑制比(PSRR)在低频至约100 kHz时是非常好的——超过此频率时，PSRR迅速下降。 图1. SAR ADC模拟电源抑制与频率的关系 精密SAR ADC以较低吞吐速率运行时，供应VDD线的典型负载电流在数mA或µA范围——因此，相比于LDO，使用固定频率开关稳压器直接为ADC供电在效率上没有优势。然而，高效率、超低功耗降压开关稳压器可在迟滞模式下工作，其静态电流非常低。 在迟滞模式下，通过调节恒定峰值电感电流，稳压器利用PWM脉冲使输出电压略高于标称输出电压。当输出电压提高到输出检测信号超过迟滞上限时，稳压器进入待机模式。在待机模式下，高端和低端MOSFET及大部分电路都禁用，静态电流很低，效率性能很高，如图2所示。待机模式期间，输出电容将能量送入负载，输出电压降低到低于迟滞比较器下限为止。稳压器唤醒，产生PWM脉冲，再次对输出充电。 在迟滞情况下，开关纹波频率与负载电流和LC网络有关；对于数mA的负载，其在kHz范围内。在数kHz时，精密ADC的PSRR非常好，能够很好地抑制/衰减ADC数字输出端的开关纹波。 图2. PWM(上图)和迟滞模式(下图)——效率与负载电流的关系 以图3所示电路为例，它使用AD7980ADC；在全吞吐速率(1 MSPS)时，其VDD电流消耗典型值为1.5 mA；若降低吞吐速率，电流消耗会按比例线性下降。这可从图4看出：采用5 V电压轨供电时，2.5 V稳压输出端的开关频率纹波为4.5 kHz和50 mV峰峰值。在ADC数字输出端，ADC以PSRR额定值衰减此纹波。在ADC FFT输出中，它表现为幅度−120 dBFS、频率4.5 kHz的杂散。对于ADC的5 V输入范围，这相当于 出现在ADC输出端的这种纹波水平对一个16位转换器而言是非常低的；5 μV峰峰值对应于16位下的0.07 LSB。这种水平的纹波会被埋在ADC噪底中，需要大量均值操作才能发现，在很多应用中都不会看到它。此输出纹波对应的PSRR为 该要求与图1所示相似，AD7980在4.5 kHz时的PSRR约为77 dB。 图3. AD7980和ADP5300应用电路 图4. ADP5300为AD7980供电时的迟滞开关纹波(交流耦合)，以及1 MSPS吞吐速率时的ADC FFT输出中的纹波音 若ADC吞吐速率降低到10 kSPS，则ADC的电流消耗按比例线性下降到15 μA (约100倍)，ADP5300 的开关频率纹波相应地降低到46.5 Hz (约100倍)，幅度为55 mV峰峰值，如图5所示。在46 Hz时，该纹波再次在ADC FFT输出中出现，幅度为−120 dB (5 μV峰峰值)，因为在该频率的PSRR相似。有证据表明存在93 Hz的二次谐波，其幅度更低，为−125 dB。 图5. ADP5300为AD7980供电时的迟滞开关纹波(交流耦合)，以及10 kSPS吞 吐速率时的ADC FFT输出中的纹波音 图6对照显示了ADP5300和LDO在不同ADC吞吐速率时的效率，两种情况均采用5 V电压轨供电，调节2.5 V输出。同预期一样，开关稳压器输送功率的效率远胜于LDO，在1 MSPS时是90%对50%(针对5 V输入)，在较低ADC吞吐速率/较低电流消耗时保持得也更好，始终高于80%，直至5 kSPS。ADC吞吐速率为1 MSPS且使用LDO时，从5 V电压轨消耗的电流为1.5 mA或7.5 mW。使用ADP5300时，从5 V电压轨消耗的电流为828 μA或4.1 mW，即ADC电源的功耗减少3.4 mW或45%。 图6. ADP5300和LDO的效率与ADC吞吐速率的关系 使用ADP5300作为VDD电源以及10 kHz近满量程输入信号(−0.5 dB)，AD7980在1 MSPS时的性能如图7所示。在SNR (91.5 dB)和THD(−103 dB)方面，ADC仍然符合数据手册规格。然而，ADP5300的4.5 kHz开关纹波会在输入信号上进行调制，显示为10 kHz – 4.5 kHz(5.5 kHz)和10 kHz 4.5 kHz (14.5 kHz)的杂散。这些杂散仍然处于非常低的水平(−116 dBFS)，远小于基波信号的二次谐波引入的THD(其在20 kHz时为−103.8 dBFS)。在16位水平时，这些伪像只是一个LSB的很小一部分，因而在许多应用中，考虑到ADP5300稳压器的省电优势，这是完全可以接受的。 图7. AD7980使用ADP5300作为VDD电源时的性能基波信号周围可以看到开关纹波调制引起的边频带(10 kHz ±4.5 KHz) ADP5300开关稳压器有一个STOP (停止)切换特性，它可以完全消除开关纹波伪像，使其不会出现在ADC FFT输出中。当STOP处于高电平时，ADP5300的STOP引脚就会阻止SW引脚切换。在对噪声敏感的ADC转换过程中，可利用该特性防止切换发生。为实现这一功能，CNV信号和STOP信号应连在一起(参见图3)，并且对来自处理器的CNV信号进行定时，使其在ADC转换时保持高电平。对于AD7980，此时间最大值为710 ns，转换在CNV上升沿启动。结果如图8所示。这种情况下的纹波频率更加变化不定，因为只有在特定时间，SW节点才会开启和调节。另请注意，从STOP信号变为低电平到SW开启的时间可能为数百ns。图8中，STOP下降沿后大约850 ns，SW引脚开启。这意味着，当ADC吞吐速率为1 MSPS时，我们不能使用STOP特性，因为SW引脚将没有足够的时间来变为高电平并调节，VDD电源将失去调节而崩溃。STOP功能在吞吐速率为500 kSPS或更低时有效。 图8. 500 kSPS时使用STOP功能的ADP5300开关纹波(黄色)、CNV/STOP信号(蓝色)及ADP5300的SW引脚(粉红) 从图9可以看出，使用STOP信号后，ADC噪底中完全不存在开关纹波杂散。当施加10 kHz的输入信号时，除一般谐波之外，基波周围没有调制。然而，当SW引脚禁用(STOP为高电平)时，由于SW引脚上的振铃，使用STOP特性的效率会下降。对于500 kHz的ADC吞吐速率，ADP5300的效率降至约75%。这仍然显著高于LDO能够实现的效率( 图9. AD7980使用ADP5300作为VDD电源时的性能，STOP特性时序根据转换周期进行调整 ADP5300等开关稳压器解决方案与LDO解决方案在成本和PCB面积方面具有一定的可比性。BOM主要增加一个电感，2.2 μH电感可以小到0603封装，而对于输入和输出电容，LDO解决方案同样需要。因此，在功耗敏感型应用中，它是LDO的有力替代方案，对精度性能并无明显影响。 当从5 V电源轨为AD7980等精密ADC供电时，ADP5300等高效率、超低功耗开关稳压器与LDO相比，可节省45%的功耗。这对物联网应用(延长无线传感器节点或可穿戴设备的电池使用寿命)、功耗敏感型隔离式工业系统、4 mA至20 mA环路供电系统有很多好处。 作者简介 Alan Walsh [] 是ADI公司的应用工程师。他于1999年加入ADI公司，就职于美国马萨诸塞州威明顿市的精密转换器应用部。他拥有都柏林大学电子工程学士学位。(mbbeetchina)