如何最大限度地降低 ADC 功耗？

長期以來，將功耗降至最低一直是許多設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。原因從顯而易見的電池供電電路和綠色系統(tǒng)，到可能不那么明顯的電源最小化和成本降低。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員只是尋找具有最低功耗規(guī)格的產(chǎn)品。雖然較低的時(shí)鐘頻率通常意味著較低的功耗，但使用突發(fā)模式操作可以進(jìn)一步降低功耗。本文介紹了使用突發(fā)模式操作來最小化 ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的平均功耗。

所有 ADC 都有可以正常運(yùn)行的最小和最大時(shí)鐘速率。雖然它們通常以給定的采樣率指定，但時(shí)鐘速率實(shí)際上是操作限制。如果時(shí)鐘頻率太快，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的不充分建立將導(dǎo)致性能不佳。如果時(shí)鐘頻率太慢，內(nèi)部泄漏將導(dǎo)致內(nèi)部電容上的電荷部分耗盡，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換過程中的電荷不足，再次導(dǎo)致性能下降。

獲得低于所選 ADC 指定采樣率的一種方法是抽取其輸出。也就是說，僅使用每個“第 n 個”樣本，而忽略使用的兩個連續(xù)樣本之間的其他樣本。這可以通過任何 ADC 完成，無論技術(shù)或架構(gòu)如何。

例如，應(yīng)用程序的要求可能需要一個 12 位 ADC，在 3V 電源下以 10k 樣本/秒的速度運(yùn)行。您可能會選擇 ADC121S021。該器件是一款具有 SPI(串行外設(shè)接口)的 12 位、低功耗 ADC，指定在 2.7V 至 5.5V 的電源范圍和 50k 樣本/秒至 200k 樣本/秒的采樣率范圍內(nèi)運(yùn)行.

盡管該器件的最低指定采樣率為 50k 樣本/秒，但我們可以以 1 MHz 時(shí)鐘速率運(yùn)行它，這對應(yīng)于該器件的最低指定 50k 樣本/秒，然后將輸出抽取 5，使用每個第五個樣品。該部分將基本上持續(xù)加電，并且功耗將與所使用的時(shí)鐘速率相同。在這種情況下，該器件的時(shí)鐘頻率為 1 MHz，而在 3V 電源下，它通常僅消耗 1.5 mW。

許多 ADC 在取消選擇時(shí)進(jìn)入斷電模式，例如當(dāng) CS(芯片選擇)引腳被取消斷言時(shí)。以最大時(shí)鐘速率運(yùn)行 ADC 并在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉設(shè)備可以最大限度地降低平均功耗。這是突發(fā)模式操作，如圖 1 所示。突發(fā)模式操作降低了平均功耗。峰值功耗仍然是為設(shè)備指定的有功功率。

要確定平均功耗，請將工作或活動功耗乘以活動模式下的時(shí)間百分比，并將其加上掉電模式下的功耗乘以掉電時(shí)間百分比的乘積模式：(Active Power x % active) + (PD Power x % PD) 其中 PD 表示“斷電”。

在突發(fā)模式下運(yùn)行大多數(shù) ADC 將顯著降低功耗。突發(fā)模式操作的唯一要求是 ADC 具有斷電模式，這對于當(dāng)今可用的大多數(shù)轉(zhuǎn)換器都是如此。如果在完成轉(zhuǎn)換之前退出掉電模式后沒有延遲，并且如果不需要虛擬轉(zhuǎn)換以便最小化活動時(shí)間(活動模式下的時(shí)間)，那將是一個很大的優(yōu)勢。虛擬轉(zhuǎn)換是用于在上電后或退出斷電模式后清除部件的轉(zhuǎn)換。任何虛擬轉(zhuǎn)換的結(jié)果都是垃圾，不能使用。

盡管如此，當(dāng)您將其 CS 引腳拉低并且不需要任何虛擬轉(zhuǎn)換時(shí)，只要發(fā)出進(jìn)入活動模式的命令，就有許多部件可以正常工作。以 1 MHz 的最小時(shí)鐘速率使用這部分，但使用突發(fā)模式操作而不是抽取輸出，ADC 將在 16% 的時(shí)間處于其活動模式，在 84% 的時(shí)間處于斷電狀態(tài)。IC 的有功功耗為 1.5 mW，掉電模式下的功耗為 0.315 mW，因此平均功耗僅為 (1.5 x 16%) + (0.315 x 84%) = 0.505 mW = 505 μW。這顯然比持續(xù)處于活動模式下的功耗要低得多，但仍有改進(jìn)的余地。

以 4 MHz 的最大時(shí)鐘速率(對應(yīng)于其最大規(guī)定的 200k 樣本/秒)運(yùn)行該器件意味著 ADC 將只有 4% 的時(shí)間處于其活動模式，而在突發(fā)模式下，ADC 將在 96% 的時(shí)間處于斷電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，平均功耗為 (1.5 x 4%) + (0.315 x 96%) = 0.362 mW = 362 μW。與簡單地以所需的采樣率運(yùn)行相比，以最大時(shí)鐘速率運(yùn)行 ADC 并在轉(zhuǎn)換之間將其置于省電模式可提供極低的功耗。

如果突發(fā)模式操作在較高的時(shí)鐘速率下提供最低的功耗，那么在給定的采樣率下，使用更高速度的設(shè)備似乎會導(dǎo)致更低的平均功耗。這確實(shí)是真的。盡管對于速度更快的設(shè)備而言，活動模式下的功耗通常較高，但轉(zhuǎn)換器處于斷電模式的時(shí)間要長得多，從而導(dǎo)致平均功耗較低。

您可以將之前的 ADC 替換為 1M 樣本/秒的 ADC，例如 ADC121S101。它是一個引腳和功能替代品，在 20 MHz 時(shí)的 3V 功耗為 2 mW，在掉電模式下為 0.2 mW。這將進(jìn)一步降低平均功耗。在這種情況下，它將僅在 0.8% 的時(shí)間內(nèi)處于活動狀態(tài)，在 99.2% 的時(shí)間內(nèi)處于斷電狀態(tài)，從而將平均功耗降低到僅 (2.0 x0.8%) + (0.2 x 99.2%) = 0.214 mW = 214 微瓦。這僅比器件在斷電模式下消耗的 200 μW 功率略高。

說明了這些條件下的功率水平與時(shí)間的關(guān)系。在該圖中，我們可以看到長時(shí)間空閑時(shí)間之間的短暫功率爆發(fā)。顯示了使用 3V 和 5V 電源的突發(fā)模式下較快部分的平均功耗與采樣率的關(guān)系圖。我們不僅看到了突發(fā)模式操作的優(yōu)勢，而且還看到了使用突發(fā)模式操作的直觀明顯優(yōu)勢在可行的情況下提供低電源電壓。在極低轉(zhuǎn)換率下的突發(fā)模式操作可以提供極低的平均功耗，非常接近掉電模式下的功耗。

盡管當(dāng)今幾乎所有 ADC 都可以進(jìn)行突發(fā)模式操作，但請務(wù)必注意 ADC 數(shù)據(jù)手冊并注意器件進(jìn)入斷電模式的條件。對于許多 ADC，將設(shè)備置于其斷電模式需要的不僅僅是在與 ADC 時(shí)鐘相關(guān)的特定時(shí)間范圍內(nèi)取消選擇設(shè)備。

重要的是要注意，雖然許多 ADC 是在一個采樣率范圍內(nèi)指定的，但這些指定的采樣率實(shí)際上與這些 ADC 將按照規(guī)范運(yùn)行的時(shí)鐘速率范圍有關(guān)。如果這些產(chǎn)品支持突發(fā)模式操作，這些產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的采樣率實(shí)際上可以接近于零，這導(dǎo)致 ADC 的平均功耗接近器件在掉電模式下的功耗。

很明顯，在斷電模式下選擇功耗最低的 ADC 可能比在活動模式下選擇功耗最低的 ADC 更重要。為了絕對最小化功耗，需要考慮每種模式下的時(shí)間并計(jì)算平均功耗。