在選擇高速數據轉換器時(shí)，功耗是最為重要的系統設計參數之一。不管是更長(cháng)電池使用壽命的便攜式設計，還是散熱能力較低的小型產(chǎn)品，數據轉換器的功耗都至關(guān)重要。
 
一般而言，系統設計人員都通過(guò)一個(gè)低噪線(xiàn)性穩壓器（例如：低壓降穩壓器）來(lái)為數據轉換器供電，而不使用開(kāi)關(guān)穩壓器。這是因為，他們擔心開(kāi)關(guān)噪聲會(huì )進(jìn)入轉換器輸出能譜，從而極大地降低 AC 性能。
 
但是，新一代的開(kāi)關(guān)穩壓器針對手機進(jìn)行了噪聲優(yōu)化，使得鄰近 LNA（低噪放大器）和 PA（功率放大器）干擾最小化，從而為我們的設計帶來(lái)了改變。這些穩壓器讓我們可以直接通過(guò)一個(gè) DC/DC 轉換器來(lái)為高速數據轉換器供電，并且 AC 性能沒(méi)有明顯的降低。本文將為您介紹這種設計如何能夠立馬使功率效率提高至少 20%，最高可達到 50%。
 
相比前幾代產(chǎn)品，現代的一些高速轉換器功耗降低了近 50%，一部分原因是電源電壓從 3.3V 降低至 1.8V。由于 LDO 型設計的電源軌更低，LDO 壓降以及即將調低的有效電源軌對功率效率而言更加重要。在電路板的數字部分，一般會(huì )有許多不同的電壓軌，服務(wù)于各種內核以及 FPGA 的 I/O 電壓和處理器。但是，在模擬部分，僅有一些穩定無(wú)噪的電壓選項可供使用，例如：5V 和 3.3V等。
 
就高速數據轉換器而言，可通過(guò)一個(gè)共用5V軌線(xiàn)性穩壓器產(chǎn)生一個(gè) 3.3V 電源。LDO 穩壓器 1.7V 壓降，相當于降低 35% 的功耗。使用一個(gè) LDO 穩壓器通過(guò) 3.3V 總線(xiàn)得到 1.8V ADC電源時(shí)，例如：ADS4149 ADC，線(xiàn)性穩壓器功耗增加至約 45%。這也就是說(shuō)，LDO 消耗了差不多一半的功率。它表明，一種低效率的電源設計多消耗一半功率是如此的容易。
 
開(kāi)關(guān)穩壓器的效率與輸入電源軌沒(méi)有一點(diǎn)關(guān)系，因此非常的節能。只要細心進(jìn)行設計，便可以最小化對 AC 性能所產(chǎn)生的影響。
 
電源濾波
 
在將開(kāi)關(guān)噪聲同模數轉換器 (ADC) 隔離過(guò)程時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的組件便是電源濾波器，其由一個(gè)鐵氧體磁珠和旁路電容組成。選擇鐵氧體磁珠時(shí)，需要考慮幾個(gè)重要的特性。
 
首先，鐵氧體磁珠需要有足夠大的數據轉換器額定電流以及較低的直流電阻 (DCR)，目的是最小化鐵氧體磁珠本身的壓降。例如，磁珠電源電流為 200mA，且 DCR 為 1Ω 時(shí)，電源壓降為 200mV。這可能會(huì )使 ADC 電壓接近極限，甚至低于標準電源電壓變化的建議工作狀態(tài)。

圖 1 覆有 DC/DC 開(kāi)關(guān)頻率及其諧波的傳統鐵氧體磁珠和村田 (Murata) 濾波器的插入損耗比較

 
其次，這種鐵氧體磁珠在 DC/DC 轉換器的開(kāi)關(guān)頻率和諧波下還必須具有高阻抗，目的是阻止開(kāi)關(guān)噪聲和開(kāi)關(guān)尖峰。市售大多數鐵氧體磁珠均有一個(gè) 100 MHz 下的規定阻抗，而現代 DC/DC 轉換器的開(kāi)關(guān)頻率一般都在 500 kHz 到 6 MHz 之間。
 
在我們的例子中，ADS4149 評估板 (EVM) 使用了一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率為 2.25MHz 的開(kāi)關(guān)穩壓器。本例中，我們?yōu)殚_(kāi)關(guān)穩壓器選擇了 TPS62590。由于 DC/DC 穩壓器都有一個(gè)方波輸出，因此還需要考慮高階諧波。我們使用了一個(gè)村田公司提供的電磁干擾 (EMI) 濾波器，以在該頻率范圍獲得較高的阻抗和極低的 DC 電阻。
 
圖 1 比較了傳統鐵氧體磁珠（頻率 100MHz，電阻 68Ω）和村田 EMI 濾波器的插入損耗。在 50Ω 環(huán)境下測量插入損耗時(shí)電源電路的阻抗非常低。因此，盡管共振頻率不變，但電源濾波器的插入損耗大小可能會(huì )稍有不同。

圖 2 DC/DC 轉換器開(kāi)關(guān)頻率及諧波條件下不同電源濾波器配置的插入損耗比較。

 
電源濾波器的其它一些組件還包括旁路電容。正確選擇這些電容的值，以使形成低阻抗接地通路的共振頻率接近于開(kāi)關(guān)頻率。這樣，通過(guò)鐵氧體磁珠的開(kāi)關(guān)噪聲便可短路接地。
 
圖 2 所示電源濾波器的插入損耗比較表明，正確的旁路電容值可得到一個(gè)接近開(kāi)關(guān)頻率的共振頻率，即使與傳統鐵氧體磁珠（例如：EXC-ML32A680）一起使用也是如此。但是，同換用一個(gè)零歐姆 (0Ω) 電阻器的情況相比，低頻率下并無(wú)太大差異。另一方面，村田EMI濾波器在開(kāi)關(guān)頻率附近有 20 Db 的額外衰減。

圖 3 使用最終電容值的電源濾波器示意圖。

 
圖 3 顯示了最終電源濾波器示意圖。一個(gè) 33 Μf 鉭介質(zhì)電容用于板頻率去耦，而10 μF、2.2 Μf 和 0.1 Μf 則為一些陶瓷電容，其擁有更窄的共振頻率。
 
AC 性能
 
根據不同的數據轉換器電源抑制比 (PSRR)，電源軌上一定數量的噪聲仍然會(huì )進(jìn)入 ADC，從而降低其 AC 性能。圖4所示信噪比 (SNR) 和無(wú)尖峰動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR)擺動(dòng)，利用 ADS4149 EVM 對基準電源（例如：1.8V 無(wú)噪實(shí)驗室電源）和使用不同電源濾波器方法的 LDO 及 DC/DC 轉換器進(jìn)行了比較。

 圖 4a 和 4b 不同電源選項和濾波器（Fs = 250 Msps）輸入頻率的 SNR（上方）和SFDR（下方）擺動(dòng)情況。

 
我們的測試結果表明，相比低噪 LDO，使用開(kāi)關(guān)穩壓器供電時(shí) SNR 性能降低程度非常�。�300 MHz IF 時(shí)~0.3 dB）。不同配置的 SFDR 性能也幾乎完全一樣。
 
仔細查看標準化的快速傅立葉變換 (FFT) 圖，其以輸入信號開(kāi)始，繪制出噪聲與偏頻之間的對比關(guān)系，表明使用非理想“EXC”鐵氧體磁珠時(shí)尼奎斯特區的噪聲底稍有變化。但是，看不出有圖5所示的開(kāi)關(guān)頻率連通。

 功率效率
 
如前所述，使用 DC/DC 轉換器代替線(xiàn)性穩壓器的主要好處是節能。在較早前的ADS4149 EVM 實(shí)驗中，LDO 和開(kāi)關(guān)穩壓器都通過(guò)一個(gè)外部 3.3V 電源供電，其為一個(gè)共用模擬電源軌。表 1 列出了測得功率效率及其各自的靜態(tài)電流。
 

 
 
這種比較表明，使用 LDO 時(shí)，LDO 本身消耗的功率幾乎與 ADC 一樣多。開(kāi)關(guān)穩壓器方法僅消耗 32 mW（高于理想解決方案），從而實(shí)現一種非常高效的電源設計。通過(guò)將輸入電壓從 3.3V 降低至 2.5V 或者 2.2V，可以進(jìn)一步提高 LDO 的效率，但代價(jià)是系統成本更高，體積更大。
 
盡管使用的外部組件比 LDO 設計要多，但 DC/DC 轉換器解決方案的尺寸可能會(huì )更小，因為新型的 DC/DC 轉換器擁有更高的開(kāi)關(guān)頻率，其可以極大地縮小電感器尺寸（例如：2.25 MHz時(shí)~2.2 μH，代替 500 kHz 的 33 μH）。
 
相反，線(xiàn)性穩壓器要求更少的電源濾波，但其封裝尺寸小型化受到限制，因為它們的功耗通常更高。從成本角度來(lái)看，開(kāi)關(guān)穩壓器解決方案可能會(huì )因組件數目較多而稍顯昂貴。但是，它的高效率可以節省散熱技術(shù)成本，并能降低系統功率預算。
 
總結
 
系統設計人員們迫切需要更多高功效的組件，而將高速數據轉換器設計的電源架構轉至開(kāi)關(guān)穩壓器，可以極大地降低功耗。本文為您介紹了如何在不大量犧牲 AC 性能的情況下，直接通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器為低功耗高速數據轉換器供電。