長期以來，將功耗降至最低一直是許多設計的主要目標。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。大多數設計人員只是尋找具有最低功耗規(guī)格的產品。雖然較低的時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(模數轉換器)的平均功耗。
所有 ADC 都有可以正常運行的最小和最大時鐘速率。雖然它們通常以給定的采樣率指定，但時鐘速率實際上是操作限制。如果時鐘頻率太快，內部節(jié)點的不充分建立將導致性能不佳。如果時鐘頻率太慢，內部泄漏將導致內部電容上的電荷部分耗盡，從而導致轉換過程中的電荷不足，再次導致性能下降。
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，無論技術或架構如何。
例如，應用程序的要求可能需要一個 12 位 ADC，在 3V 電源下以 10k 樣本/秒的速度運行。您可能會選擇 ADC121S021。該器件是一款具有 SPI(串行外設接口)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/秒的采樣率范圍內運行.
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 時鐘速率運行它，這對應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鐘速率相同。在這種情況下，該器件的時鐘頻率為 1 MHz，而在 3V 電源下，它通常僅消耗 1.5 mW。
許多 ADC 在取消選擇時進入斷電模式，例如當 CS(芯片選擇)引腳被取消斷言時。以最大時鐘速率運行 ADC 并在轉換之間關閉設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間百分比，并將其加上掉電模式下的功耗乘以掉電時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)模式下運行大多數 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，這對于當今可用的大多數轉換器都是如此。如果在完成轉換之前退出掉電模式后沒有延遲，并且如果不需要虛擬轉換以便最小化活動時間(活動模式下的時間)，那將是一個很大的優(yōu)勢。虛擬轉換是用于在上電后或退出斷電模式后清除部件的轉換。任何虛擬轉換的結果都是垃圾，不能使用。
盡管如此，當您將其 CS 引腳拉低并且不需要任何虛擬轉換時，只要發(fā)出進入活動模式的命令，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% 的時間處于其活動模式，在 84% 的時間處于斷電狀態(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，但仍有改進的余地。
以 4 MHz 的最大時鐘速率(對應于其最大規(guī)定的 200k 樣本/秒)運行該器件意味著 ADC 將只有 4% 的時間處于其活動模式，而在突發(fā)模式下，ADC 將在 96% 的時間處于斷電狀態(tài)運行時，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行相比，以最大時鐘速率運行 ADC 并在轉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，使用更高速度的設備似乎會導致更低的平均功耗。這確實是真的。盡管對于速度更快的設備而言，活動模式下的功耗通常較高，但轉換器處于斷電模式的時間要長得多，從而導致平均功耗較低。
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 時的 3V 功耗為 2 mW，在掉電模式下為 0.2 mW。這將進一步降低平均功耗。在這種情況下，它將僅在 0.8% 的時間內處于活動狀態(tài)，在 99.2% 的時間內處于斷電狀態(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間的關系。在該圖中，我們可以看到長時間空閑時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。
盡管當今幾乎所有 ADC 都可以進行突發(fā)模式操作，但請務必注意 ADC 數據手冊并注意器件進入斷電模式的條件。對于許多 ADC，將設備置于其斷電模式需要的不僅僅是在與 ADC 時鐘相關的特定時間范圍內取消選擇設備。
重要的是要注意，雖然許多 ADC 是在一個采樣率范圍內指定的，但這些指定的采樣率實際上與這些 ADC 將按照規(guī)范運行的時鐘速率范圍有關。如果這些產品支持突發(fā)模式操作，這些產品實現的采樣率實際上可以接近于零，這導致 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間并計算平均功耗。
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