使用 DCDC 轉(zhuǎn)換器為 ADC 供電

在這篇文章中，我將介紹用于模擬 Vdd (AVDD) 和數(shù)字 Vdd (DVDD) 電源的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。了解 ADC 電源引腳如何對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器作出反應(yīng)至關(guān)重要，因?yàn)?DC/DC 轉(zhuǎn)換器因其高功率效率而成為大多數(shù)(如果不是全部)供電方案的一部分。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器效率可以在 90% 左右，在需要供電的情況下提供最節(jié)能的解決方案。DC-DC轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部功耗有兩個(gè)主要組成部分：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗

靜態(tài)功耗對(duì)應(yīng)于實(shí)現(xiàn)芯片功能所需的能量，通常為 ，其中I Q是靜態(tài)電流，V S是電源電壓。

動(dòng)態(tài)功耗對(duì)應(yīng)于將所需功率傳輸?shù)截?fù)載所需的能量。在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，主要的貢獻(xiàn)者是能量損失：

· 在切換過渡期間。

· 驅(qū)動(dòng)輸出金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。

· 在 MOSFET 中由于內(nèi)部串聯(lián)電阻。

· 在用于平均輸出電壓的電感器中產(chǎn)生直流電壓。

請(qǐng)注意，輕負(fù)載電流下的效率會(huì)急劇下降，并且確實(shí)可能比在輕負(fù)載下運(yùn)行的線性穩(wěn)壓器的效率更差。因此，當(dāng)負(fù)載最佳或負(fù)載在指定范圍內(nèi)變化時(shí)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器總是更好，以確保效率。TPS54120的最高效率達(dá)到 500mA 以上(>85%);對(duì)于TPS62080，它介于 300mA 至 800mA(>90%)之間。

我不會(huì)花更多時(shí)間在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的選擇上，因?yàn)樽罴呀鉀Q方案將取決于效率、成本、印刷電路板 (PCB) 占用的面積與可用面積、可能的電磁干擾等......

在此分析中，我將使用TPS54120和TPS62080作為電源解決方案的示例來評(píng)估不同開關(guān)頻率的影響。TPS54120的開關(guān)頻率典型值為 480kHz ，TPS62080的開關(guān)頻率為 1.5MHz。TPS54120 是一款雙輸出器件，其中一個(gè)輸出為低噪聲、低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO)，另一個(gè)輸出為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。TPS62080是一款1.2A 高效降壓轉(zhuǎn)換器。

TPS54120是一款用途極其廣泛的器件，其 PCB 占位面積很小，可用作高效 LDO(DC/DC 和 LDO 串聯(lián)使用);

TPS62080是一款1.5MHz、1.2A 降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。請(qǐng)注意，此響應(yīng)表現(xiàn)出 8mV PP紋波。此響應(yīng)是TPS62080貪睡模式，一旦負(fù)載連接到其輸出，將類似于TPS54120 DC/DC 響應(yīng)。

對(duì)于 200mA 負(fù)載(例如ADC3444將展示的負(fù)載)，從效率的角度來看，這些并不是最好的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，但可以理解的是，負(fù)載將與板上的其他組件共享。適用于各種負(fù)載的TPS54120 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 FFT。在該圖中，我們可以注意到隨著負(fù)載的增加，基波及其諧波的幅度都增加了。這些降級(jí)將在 ADC 的輸出頻譜中找到，以獲得穩(wěn)定的附加 DC/DC 轉(zhuǎn)換器負(fù)載，而不是 ADC 提供的負(fù)載。如果這個(gè)額外的負(fù)載發(fā)生變化，那么我們還必須處理 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的幅度調(diào)制。

我選擇TPS54120和TPS62080是因?yàn)樗鼈兊目捎眯?，允許使用兩個(gè)非常不同的開關(guān)頻率(480kHz 和 1.5MHz)評(píng)估ADC3444 。

首先查看之前文章中ADC3444的 DVDD 電源，請(qǐng)參閱“測(cè)量 ADC 中的 PSR ”，我們知道 DVDD 引腳上允許的最大紋波約為 15mV PP。紋波低于此值將確保 ADC FFT 上不會(huì)出現(xiàn)大于 -95dBFS 的音調(diào)。

我們可以注意到電源是電池。電池的使用保證了電源開關(guān)噪聲的唯一來源是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。在被測(cè) DVDD 電源上，我們插入了沒有任何后置濾波的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，僅在每個(gè)ADC3444 DVDD 引腳上保留了四個(gè) 0.22μF 電容器。AVDD 電源引腳由相同的電池供電，但這次采用低噪聲 LDO，以確保在適當(dāng)?shù)碾妷合逻M(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)還對(duì)任何外部開關(guān)噪聲和 AVDD 引腳的低熱噪聲提供出色的抑制，同時(shí)為 AVDD 電源提供低阻抗，這是一個(gè)良好的電源所期望的。

我們現(xiàn)在已經(jīng)確認(rèn)我們之前的計(jì)算，根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，紋波低于 600μV PP，DVDD 電源在高于 -95dBFS 的開關(guān)頻率下沒有任何音調(diào)。然而，DVDD 電源也為內(nèi)部時(shí)鐘電路供電，為內(nèi)部采樣和保持電路供電。時(shí)鐘相位噪聲與開關(guān)頻率的卷積產(chǎn)生了從 200kHz 一直到 1MHz 的能量分布。

盡管此處未顯示細(xì)節(jié)，但在 19.8MHz 的信號(hào)周圍沒有出現(xiàn)任何音調(diào)，正如ADC3444 PSR 曲線所預(yù)期的那樣。

使用 AVDD 電源評(píng)估相同的兩個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，在這種情況下，我們將電池加 DC/DC 布置連接到 AVDD 電源和電池加上 TPS7A47 到 DVDD 電源。

知道了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器紋波電壓幅度和頻率，這也證實(shí)了 PSRR 在 ADC 的 AVDD 電源上是不夠的。因此，我們必須先降低 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率幅度，然后再將其連接到 ADC AVDD 電源引腳。

ADC3444 AVDD 和 DVDD 電源引腳由相同的 6V 電池供電，但使用獨(dú)立的低噪聲 LDO。(在這種情況下，TPS7A47)。查看數(shù)據(jù)，我們可以清楚地看到，在開關(guān)頻率處出現(xiàn)了一個(gè)非常低的紋波，主要是由于使用 3A DC/-DC 轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng) 40mA 負(fù)載而導(dǎo)致的，并且這里沒有卷積。但是，存在 19.8MHz 的音調(diào)對(duì)開關(guān)頻率的上變頻;-102dBFS 信號(hào)明顯來自本底噪聲。隨著 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的負(fù)載越來越大，電源的噪聲貢獻(xiàn)將增加，如圖 7 所示，因此有必要在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之后使用濾波策略。請(qǐng)注意，典型噪聲增加僅在室溫下進(jìn)行表征，不考慮 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、外部組件或溫度的任何其他變化。

到目前為止，在本系列文章中，我們已經(jīng)看到：如何測(cè)量 ADC 的 PSRR，評(píng)估 ADC PSR 隨頻率變化的情況，以及剛剛發(fā)現(xiàn)電源不足導(dǎo)致的信號(hào)鏈退化。在本系列的其余文章中，我將研究電源噪聲對(duì) ADC 性能的影響以及 DC-DC 轉(zhuǎn)換器后置濾波的改進(jìn)，最終開發(fā)出完整的解決方案。