利用SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器降低功耗

隨著醫(yī)療、消費(fèi)電子和工業(yè)市場上的便攜式手持儀器儀表日趨向尺寸更小、重量更輕、電池（或每次充電）續(xù)航時間更長、成本更低且通常功能更多方向發(fā)展，低功耗已經(jīng)成為如今電池供電模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的一項關(guān)鍵要求。即使是在非電池供電的應(yīng)用中，低功耗的好處也不容忽視，因?yàn)榈凸南到y(tǒng)無需散熱器或風(fēng)扇也能工作，因而尺寸更小、成本更低，而且更加可靠，同時也“更加綠色環(huán)保”.此外，許多設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品時都面臨一個挑戰(zhàn)，即在增強(qiáng)產(chǎn)品功能或性能的同時降低或者至少不得超過當(dāng)前的功耗預(yù)算。

　　當(dāng)今市場上品種繁多的ADC則使得選擇符合特定系統(tǒng)要求的最佳器件變得更加困難。如果說低功耗是必須的條件，那么除了評估速度和精度等常見的轉(zhuǎn)換器性能特性之外，還需要考慮更多性能指標(biāo)。了解這些指標(biāo)以及設(shè)計決策會對功耗預(yù)算有何影響，對于確定系統(tǒng)功耗和電池壽命計算非常重要。

　　ADC的平均功耗是轉(zhuǎn)換期間所用功耗、不轉(zhuǎn)換時所用功耗以及各模式下所用時間的函數(shù)，如等式1所示。

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　　PAVG= 平均功耗。

　　PCONV= 轉(zhuǎn)換期間的功耗。

　　PSTBY= 待機(jī)或關(guān)斷模式下的功耗。

　　tCONV = 轉(zhuǎn)換所用時間。

　　tSTBY = 處于待機(jī)或關(guān)斷模式的時間。

　　轉(zhuǎn)換期間所用功耗通常遠(yuǎn)大于待機(jī)功耗，因此如果處于待機(jī)模式的時間增加，平均功耗會顯著降低。逐次逼近（SAR）型轉(zhuǎn)換器尤其適合此類工作模式。

　　影響系統(tǒng)電源使用情況的最大因素之一是板上電源的選擇。對于便攜式應(yīng)用，系統(tǒng)通常由3 V紐扣式鋰電池直接供電。這樣就無需使用低壓差穩(wěn)壓器，從而節(jié)省電能、空間和成本。非電池應(yīng)用也可受益于具有低VDD電源電壓范圍的轉(zhuǎn)換器，因?yàn)楣呐c輸入電壓成正比。為ADC選擇最低可接受VDD將可降低功耗。

　　針對低功耗應(yīng)用的所有ADC都具有關(guān)斷或待機(jī)模式，以便在閑置期間節(jié)省電能。ADC可以在單次轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷，或者以高吞吐速率突發(fā)執(zhí)行一陣轉(zhuǎn)換，在這些突發(fā)之間關(guān)斷ADC.對于單通道轉(zhuǎn)換器，工作模式的控制功能可以集成到通信接口，或者在完成一次轉(zhuǎn)換后自動進(jìn)行。

　　將模式控制集成到通信接口的好處是可以減少引腳數(shù)量。這樣可以降低功耗，因?yàn)橐?qū)動的輸入更少，同時漏電流也更小。此外，引腳數(shù)量越少，封裝尺寸也就越小，同時MCU所需的I/O也越少。無論采用何種控制方法，只要謹(jǐn)慎使用這些模式都能顯著節(jié)省電能。

　　顧名思義，關(guān)斷模式會關(guān)閉部分ADC電路，從而降低功耗。關(guān)斷后電路重新啟動轉(zhuǎn)換所需的時間決定可有效使用此類模式的吞吐速率。對于帶有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的ADC,重新啟動時間將由基準(zhǔn)電容重新充電所需的時間決定。采用外部基準(zhǔn)電壓源的模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要足夠的時間在重新啟動時正確跟蹤模擬輸入。

　　對于當(dāng)今市場上的所有ADC,功耗均與吞吐速率成正比。功耗由靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗組成。靜態(tài)功耗是恒定的，動態(tài)功耗則和吞吐速率呈線性變化關(guān)系。因此，在滿足應(yīng)用要求的前提下盡可能選擇最低的吞吐速率可以省電。

　　圖1所示為AD7091R,的典型功耗與吞吐速率的函數(shù)關(guān)系，該器件是ADI公司最近推出的超低功耗ADC.圖中還比較了利用器件的關(guān)斷模式（尤其是在較低吞吐速率條件下）可以帶來怎樣的額外省電效果。AD7091R的吞吐速率和關(guān)斷模式利用率取決于器件的重新啟動時間，以及基準(zhǔn)電容的重新充電時間，因?yàn)锳D7091R具有片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源。基準(zhǔn)電容重新充電所需的時間取決于電容大小，以及片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源重新啟動時電容的剩余電荷水平。

　　圖1. AD7091R ADC功耗與吞吐速率的關(guān)系

ADC中啟動轉(zhuǎn)換請求的最常見方法是采用專用轉(zhuǎn)換輸入引腳或通過串行接口進(jìn)行控制。采用專用輸入引腳（CONVST）時，轉(zhuǎn)換在下降沿啟動。然后，由片內(nèi)振蕩器控制轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，可通過串行接口回讀結(jié)果。因此，轉(zhuǎn)換始終以恒定的最佳速度運(yùn)行，允許器件在轉(zhuǎn)換完成時進(jìn)入低功耗模式，從而節(jié)省電能。

　　當(dāng)ADC中的采樣時刻由片選（CS）上的下降沿啟動時，轉(zhuǎn)換由內(nèi)部采樣時鐘（SCLK）信號控制。SCLK頻率將會影響轉(zhuǎn)換時間和可實(shí)現(xiàn)的吞吐速率，進(jìn)而影響功耗。SCLK速率越快，轉(zhuǎn)換時間就越短。轉(zhuǎn)換時間越短，器件處于低功耗模式的時間比例相對于正常模式就越大，因此可以實(shí)現(xiàn)顯著的省電效果。也就是說，如果每次轉(zhuǎn)換需要N SCLK周期，那么對于每秒執(zhí)行S次轉(zhuǎn)換，SCLK開關(guān)的總時間為S S × N/fSCLK每秒內(nèi)的靜態(tài)時間如等式2所示。

　　（2）

　　因此，對于給定的每秒采樣次數(shù)，隨著fSCLK增加，每秒內(nèi)的靜態(tài)時間也會增加。

　　例如，假設(shè)完成轉(zhuǎn)換并讀取結(jié)果需要16個SCLK周期，則對于采樣速率為100 kSPS且SCLK為30 MHz的系統(tǒng)，靜態(tài)時間所占比例為94.67%,也就是說轉(zhuǎn)換所用時間占5.33%（每秒內(nèi)53.3 ms）。當(dāng)SCLK為10 MHz時，同一系統(tǒng)的靜態(tài)時間僅占84%,也就是說轉(zhuǎn)換用時為160 ms.因此，要實(shí)現(xiàn)最佳功耗性能，轉(zhuǎn)換器應(yīng)以可支持的最高SCLK頻率工作。

　　針對低功耗應(yīng)用而設(shè)計時，有個很重要的參數(shù)卻往往被忽視，即輸出引腳（尤其是SCLK、CS和SDO等通信接口引腳）上的容性負(fù)載，因?yàn)檫@些I/O變量會在轉(zhuǎn)換過程中不斷改變狀態(tài)。輸出端上的容性負(fù)載等于驅(qū)動器IC本身的引腳電容、輸入引腳的引腳電容以及PCB走線電容之和。走線電容通常都很小，處于飛法范圍內(nèi)，因此意義不大。為容性負(fù)載充電所需的功率（PL）是負(fù)載（CL）、驅(qū)動電壓（VDRIVE）以及充電頻率（f）的函數(shù)，其定義如等式3所示。

　?。?）

　　因此，整個系統(tǒng)的功率等于負(fù)載電容（CLn）和開關(guān)頻率（fn）乘積之和乘以驅(qū)動電壓的平方。

　　（4）

　　由于ADC驅(qū)動SDO引腳，主機(jī)微控制器驅(qū)動CS、CONVST和SCLK引腳，因此可通過盡可能減少所有器件的引腳電容來實(shí)現(xiàn)最低功耗。

　　對于CS和CONVST引腳，開關(guān)頻率僅取決于吞吐速率。如前所述，SCLK頻率應(yīng)設(shè)置為可支持的最大頻率，以便降低功耗。這并不矛盾：重要的是SCLK并不是自由運(yùn)行--它應(yīng)該僅在盡可能短的時間內(nèi)激活，以便在SDO線路上傳播每個位檢驗(yàn)的結(jié)果并控制轉(zhuǎn)換過程。這點(diǎn)依器件和分辨率而定，但通常為每位一個周期，再加上一些開銷；對于12位轉(zhuǎn)換器SPI接口，每次采樣約為16個SCLK周期。因此，SCLK的最小頻率為所需周期數(shù)乘以吞吐速率。

　　SDO線路的頻率取決于吞吐速率和轉(zhuǎn)換結(jié)果。雖然這個無法進(jìn)行控制，但是設(shè)計人員應(yīng)該了解它會對轉(zhuǎn)換功耗造成什么影響。當(dāng)結(jié)果為101010…序列時，功耗最大；當(dāng)結(jié)果為全1或全0時，功耗最小。

　　除了降低吞吐速率之外，減小VDRIVE電壓也可明顯降低功耗。模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過單電源引腳或單獨(dú)的電源來為模擬電路和數(shù)字接口供電。使用單獨(dú)的VDRIVE電源時，設(shè)計靈活性更高并且無需電平轉(zhuǎn)換器，因?yàn)槟?shù)接口電壓可與SPI主機(jī)的電壓相匹配。為VDRIVE選擇可用的最低電壓時，系統(tǒng)功耗將最低。

　　圖2比較了12位ADC在VDRIVE值為3 V和1.8 V時標(biāo)準(zhǔn)SPI接口（含CS、SDO和SCLK）的典型功耗要求與總?cè)菪载?fù)載的關(guān)系，其中吞吐速率為100 kSPS、每次轉(zhuǎn)換16個SCLK周期以及最差情況SDO輸出為1010.

　　圖2. 典型接口功耗與容性負(fù)載的關(guān)系

ADC電路設(shè)計的其它典型構(gòu)成要素包括基準(zhǔn)電壓源和運(yùn)算放大器。不言而喻，應(yīng)針對低功耗認(rèn)真選擇這些元件。有些基準(zhǔn)電壓源帶有關(guān)斷模式，以便在非活動期間降低功耗。放大器選擇視應(yīng)用而定，因此應(yīng)考慮到系統(tǒng)吞吐速率，以確保所選放大器能夠使ADC性能達(dá)到最佳，同時使功耗降至最低。

　　12位AD7091R專為低功耗應(yīng)用而設(shè)計，具有一個SPI接口和一個片內(nèi)精密2.5 V基準(zhǔn)電壓源，采樣速率為1 MSPS.轉(zhuǎn)換通過CONVST引腳啟動。片內(nèi)振蕩器控制轉(zhuǎn)換過程，使之能夠優(yōu)化功耗。引腳電容很小，最大值為5 pF.寬輸入電壓范圍（2.7 V至5.25 V）允許集成到更廣泛的應(yīng)用中，而不僅僅是電池供電應(yīng)用。單獨(dú)的1.65 V至5.25 V VDRIVE電源則可降低功耗，并提高系統(tǒng)集成能力。

　　采樣速率為1 MSPS且VDD為3 V時，AD7091R功耗為349 μA（典型值）。由于其功率與吞吐速率成正比，因此100 kSPS時靜態(tài)電流為55 μA.不執(zhí)行轉(zhuǎn)換但基準(zhǔn)電壓源激活時，靜態(tài)電流為21.6 μA;在關(guān)斷模式下，電流僅為264 nA.AD7091R采用10引腳MSOP或LFCSP封裝。

　　驅(qū)動AD7091R的典型放大器包括AD8031（針對快速吞吐速率應(yīng)用）和AD8420（針對較低帶寬應(yīng)用）。采用2.7 V電源供電時，AD8031的靜態(tài)功耗為750 μA（典型值）；采用5 V電源供電時，AD8420的靜態(tài)功耗為70 μA（典型值）。

　　圖3所示為通過CR2032鋰電池供電時AD7091R的典型功耗和計算得出的電池壽命?？梢郧宄闯觯S著吞吐速率降低，電池壽命明顯延長。

　　圖3. AD7091R電池壽命和功耗與吞吐速率的關(guān)系

　　與多數(shù)其它ADC相比，AD7091R可以在功耗預(yù)算上實(shí)現(xiàn)顯著節(jié)省效果。例如，與最接近的可用競爭產(chǎn)品（一款不帶內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的器件）相比時，對于1 MSPS吞吐速率，AD7091R可使功耗降低3倍（對于3 V電源，其功耗典型值為1 mW,而比較產(chǎn)品的功耗典型值為3.9 mW）。這相當(dāng)于將CR2032電池壽命延長400小時?？紤]需要外部基準(zhǔn)電壓源的其它器件時，節(jié)省效果更為明顯。

　　結(jié)論

　　除延長電池壽命之外，降低功耗還有其它很多好處。產(chǎn)生的熱量變少，進(jìn)而使尺寸變小。穩(wěn)定性因溫度應(yīng)力降低而得以提高。由于采用更小的元件，因此PCB尺寸得以縮小；另外，由于無需散熱器之類的配件，因此元件數(shù)量得以減少；這些使系統(tǒng)成本降低。

　　本文概述了系統(tǒng)設(shè)計人員在采用ADC的設(shè)計中優(yōu)化功耗時應(yīng)考慮到的幾個重要因素和好處。