為信號(hào)鏈系統(tǒng)創(chuàng)建電源解決方案的全新、更簡(jiǎn)單的方法

作者：Joseph Viernes,Vincent Gregorio, andAnthony Serquina

信號(hào)鏈系統(tǒng)將模擬數(shù)據(jù)從物理世界連接到數(shù)字世界，在那里處理數(shù)據(jù)。然而，為信號(hào)鏈系統(tǒng)供電可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)?a target="_blank">電源不得降低系統(tǒng)的整體性能。線性穩(wěn)壓器可以防止這種性能下降，但代價(jià)是功率損耗增加，從而降低效率。另一方面，開關(guān)穩(wěn)壓器可顯著提高效率，但由于其開關(guān)特性，會(huì)引入噪聲，從而影響信號(hào)鏈系統(tǒng)的性能。ADI公司的信號(hào)鏈電源（SCP）硬件評(píng)估平臺(tái)和SCP配置器配套軟件工具允許信號(hào)鏈硬件工程師（無論是否有電源應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)）以簡(jiǎn)化、直觀的方式為其信號(hào)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源。

什么是信號(hào)鏈電源（SCP）平臺(tái)？

SCP平臺(tái)是硬件和軟件的組合，可解決信號(hào)鏈系統(tǒng)電源開發(fā)時(shí)的挑戰(zhàn)。它旨在指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師為其儀器儀表、測(cè)試和測(cè)量以及工業(yè)自動(dòng)化精密信號(hào)鏈應(yīng)用提供最佳、最完整的電源解決方案。SCP硬件是一組評(píng)估板，在性能、尺寸和成本之間取得了良好的平衡。SCP配置器是該平臺(tái)的配套軟件，為信號(hào)鏈工程師提供建議，幫助他們?yōu)槠鋺?yīng)用選擇最佳電源樹。SCP平臺(tái)硬件和SCP配置器的結(jié)合為設(shè)計(jì)工程師提供了一種快速開發(fā)信號(hào)鏈電源解決方案的方法。

圖1.為信號(hào)鏈開發(fā)電源解決方案的傳統(tǒng)方法之一是連接多個(gè)演示板。另一種方法是使用多個(gè)臺(tái)式電源。這兩種方法都會(huì)占用大量時(shí)間，尤其是在優(yōu)化解決方案時(shí)。

圖2.使用 SCP 平臺(tái)硬件的電源解決方案示例。

信號(hào)鏈電源 （SCP） 硬件評(píng)估平臺(tái)

從數(shù)以千計(jì)的線性功率?產(chǎn)品，確定了一小部分包含在硬件中。這些產(chǎn)品已用于許多信號(hào)鏈應(yīng)用，擁有此列表可簡(jiǎn)化電源產(chǎn)品的選擇。它支持多種電源配置，以滿足精密信號(hào)鏈的大多數(shù)電源要求，可以是升壓、降壓、升壓或降壓、反相和雙輸出升壓/反相拓?fù)洹Ｔ撈脚_(tái)還包括一系列正負(fù)LDO穩(wěn)壓器，可用作后置穩(wěn)壓器，以獲得更好的系統(tǒng)噪聲性能。

圖3.SCP-ADP5070-EVALZ雙通道DC-DC轉(zhuǎn)換器（左）和SCP-LT3045-1-EVALZ LDO穩(wěn)壓器（右）。

硬件平臺(tái)中的電路板使用小尺寸的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，輸入和輸出接頭具有預(yù)定的極性。這些引腳接頭的位置經(jīng)過專門定義，以便能夠創(chuàng)建多個(gè)電路板組合。電路板設(shè)計(jì)的這些方面有助于快速測(cè)試不同的電路板配置及其性能，同時(shí)保持工作空間小巧簡(jiǎn)單。

圖4.LT1956降壓型轉(zhuǎn)換器 （左） 和LT3045-1LDO 穩(wěn)壓器 （右） 盡管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，但具有相同的電路板尺寸。

除了供電，SCP硬件還支持多種功能和特性。這些板在可能需要修改的組件上設(shè)計(jì)有超大的 0805 焊盤。這些組件包括反饋、補(bǔ)償、頻率設(shè)置、軟啟動(dòng)、運(yùn)行和 VIOC 等。這使得返工和設(shè)計(jì)調(diào)整更加方便。一些SCP開關(guān)穩(wěn)壓器支持頻率同步。外部時(shí)鐘可以通過 SCP 板上提供的 SMA 連接器饋入 SCP 板。建議的值和配置設(shè)置可以在 analog.com 上每個(gè)主板的產(chǎn)品頁(yè)面上找到。

SCP硬件還集成了跟蹤功能，通過輸入至輸出控制電壓（VIOC）控制開關(guān)前置穩(wěn)壓器，為線性后置穩(wěn)壓器供電。VIOC引腳是該跟蹤功能的輸出，用于驅(qū)動(dòng)前置穩(wěn)壓器的反饋（FB）引腳，以將LDO穩(wěn)壓器的輸入電壓保持在V外+ V維奧克.此功能可用于最大限度地降低LDO穩(wěn)壓器的功耗，同時(shí)保持其PSRR性能。使用此功能可提高整體效率。

圖5.LT3045-1 LDO穩(wěn)壓器上VIOC功能的示例實(shí)現(xiàn)。

所有SCP切換器和LDO板都經(jīng)過配置，以便在系統(tǒng)需要順序上電和/或關(guān)斷時(shí)，用戶可以正確排序每個(gè)電源軌。用戶可以通過從其系統(tǒng)發(fā)送數(shù)字高電平或低電平信號(hào)來啟用或禁用單個(gè)電源模塊。電源排序器和監(jiān)控器（如LTC2928）也可用于此功能。包括一個(gè)專用接頭，用于監(jiān)控輸出并將其設(shè)置為所需的電源順序。

SCP硬件平臺(tái)還包括板配件，由1×2分線板、1×5分線板、5×1重新集成板、直通板、濾波板、單輸入板和單輸出板組成。

圖6.分線板可用于將單個(gè)輸入電壓分成多個(gè)電源軌。

1×2 和 1×5 分線板可用于創(chuàng)建多個(gè)并聯(lián)電壓輸出軌。在每個(gè)輸出軌上增加了電流檢測(cè)和輸出濾波功能。

5×1 集成板將多輸出軌集成到單個(gè)尾纖 DUT 連接器中，并通過 SMA 連接器提供額外的濾波、電流檢測(cè)、功率和信號(hào)測(cè)量，以及用于標(biāo)準(zhǔn)輸出測(cè)量和表征的香蕉插孔。

圖7.5×1 集成板將多個(gè)電源軌組合成單個(gè)連接器分支。

通板用作墊片，以平衡相鄰導(dǎo)軌產(chǎn)生的間隙。濾波板也可用作墊片，以防需要額外的無源濾波以獲得更好的系統(tǒng)噪聲性能。濾波板支持使用 RC、LC、饋通電容器、鐵氧體磁珠和其他引腳網(wǎng)絡(luò)配置。

圖8.直通板（左）和濾板（右）。

單輸入和輸出板可用于單電源軌評(píng)估。它們還具有多個(gè)接口選項(xiàng)，例如香蕉插孔、抓取器或用于輸入和輸出表征的 SMA。

圖9.使用切換器板、LDO 板以及輸入和輸出板的電源配置示例。

通過利用SCP硬件平臺(tái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以輕松創(chuàng)建和設(shè)計(jì)完整的電源解決方案，并快速評(píng)估信號(hào)鏈系統(tǒng)的性能。通過SCP電源板的即插即用配置，還可以實(shí)現(xiàn)快速簡(jiǎn)便的電源系統(tǒng)優(yōu)化。當(dāng)設(shè)計(jì)優(yōu)化完成并準(zhǔn)備好集成到最終設(shè)計(jì)中時(shí)，所有工程資料都可以在 analog.com 下載。

信號(hào)鏈電源 （SCP） 配置器

SCP配置器是SCP系列硬件評(píng)估板的配套軟件工具。它是一個(gè)簡(jiǎn)單直觀的圖形用戶界面（GUI），使設(shè)計(jì)工程師無論有無電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，都能為其信號(hào)鏈系統(tǒng)快速生成電源解決方案。

該算法根據(jù)用戶提供的要求提供電源架構(gòu)的最佳構(gòu)建塊。應(yīng)首先確定信號(hào)鏈系統(tǒng)所需的輸入電壓源、輸出電壓和預(yù)期負(fù)載電流值。如果特定電源軌要求低噪聲，則提供一個(gè)復(fù)選框來啟用它。這增加了一個(gè)LDO后置穩(wěn)壓器，以降低電源軌上的噪聲。這又回到了開發(fā)信號(hào)鏈電源解決方案時(shí)最具挑戰(zhàn)性的問題：“多安靜才算足夠好？

圖10中的GUI顯示了生成的電源解決方案的結(jié)果。它生成電源解決方案的圖形顯示，幫助用戶如何構(gòu)建電源樹并互連所有相關(guān)的SCP硬件板系列。提供了每個(gè)導(dǎo)軌的可能替代板的列表。這些替代板通過增加輸出電流能力來排列。

圖 10.SCP配置器軟件，具有五個(gè)輸出軌的生成解決方案。

此外，GUI生成的電源解決方案可以以PDF格式打印。該報(bào)告包含輸出設(shè)計(jì)的相同圖形表示和每個(gè)電源軌的電路板建議列表。報(bào)告中添加的是有助于互連電源模塊模塊塊所需的所有附件的列表。還包括快捷方式鏈接，可將用戶重定向到相應(yīng)的電路板文檔，例如但不限于電路板布局設(shè)計(jì)、物料清單 （BOM） 以及可輕松復(fù)制并用作設(shè)計(jì)參考的原理圖。

圖 11.生成的 PDF 格式的解決方案報(bào)告。

工作原理

一旦信號(hào)鏈系統(tǒng)的定制電源架構(gòu)完成，就可以將構(gòu)建模塊拼接在一起，創(chuàng)建一個(gè)硬件測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)整個(gè)信號(hào)鏈系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估。為了演示SCP平臺(tái)如何簡(jiǎn)化信號(hào)鏈電源解決方案的設(shè)計(jì)和評(píng)估過程，該平臺(tái)將用于設(shè)計(jì)差分SAR ADC的電源解決方案AD4020。在本例中，SCP平臺(tái)將為使用AD4020的低漂移、高精度數(shù)據(jù)采集解決方案CN0513供電。

圖 12.CN0513的系統(tǒng)框圖，將用于評(píng)估SCP硬件的噪聲性能。

SAR ADC需要1.8 V電源（VDD）和用于輸入/輸出接口（VIO）的數(shù)字電源。VIO 電源軌可以處理 1.71 V 至 5.5 V 的輸入。在本演示中，將3.3 V設(shè)置為VIO輸入電壓。可編程增益儀表放大器（PGIA）使用兩個(gè)電壓軌作為電源引腳+VS和 –VS分別。

要開始使用該平臺(tái)，SCP配置器需要輸入電壓要求，為系統(tǒng)生成電源解決方案。將使用 9 V 的標(biāo)稱輸入電壓。

圖 13.SCP 配置器的輸入電壓要求部分。

SCP配置器還使用系統(tǒng)的電壓和電流要求。在本演示中，這些電源軌為1.8 V VDD電源軌、3.3 V VIO電源軌以及PGIA雙電源軌的+5.5 V和–1.0 V電源軌。這些輸入的電流要求可以從元件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲得，如表1所示。PGIA的輸入級(jí)使用兩個(gè)ADA4627-1JFET運(yùn)算放大器，每個(gè)放大器的最大功耗為7.8 mA。這導(dǎo)致最大電流為15.6 mA?？紤]到PGIA的其他部分，增加了額外的電流，因此+V的最大電流為20 mA。S和 –VS鐵軌。這些將被放入GUI中，GUI使用SCP平臺(tái)硬件生成電源解決方案。還有一個(gè)復(fù)選框來指示導(dǎo)軌是否具有低噪音要求。進(jìn)行檢查會(huì)增加一個(gè)LDO穩(wěn)壓器，以改善電源軌的噪聲性能。在本演示中，所有電壓軌都將滿足低噪聲要求。

圖 14.SCP 配置器的電源軌要求部分。

SCP配置器產(chǎn)生的電源解決方案如圖15所示。還有一個(gè)提示，建議僅對(duì)1.8 V和3.3 V輸出軌使用LDO穩(wěn)壓器。這很重要，因?yàn)檫@在優(yōu)化電源解決方案時(shí)很有用。這背后的原因是，雖然SCP配置器生成一個(gè)完整的電源樹，但由于硬件的外形尺寸，可以很容易地更改這個(gè)電源樹。這樣可以更快地實(shí)施對(duì)電源解決方案的更改。

圖 15.SCP 配置器根據(jù)圖 13 和圖 14 中的要求生成的電源解決方案。

圖 16.提示僅對(duì)電源軌 3 和 4（1.80 V 和 3.30 V）使用 LDO 穩(wěn)壓器。

有兩種方法可以確定可容忍的電源噪聲。第一種方法是了解和量化信號(hào)處理負(fù)載對(duì)電源噪聲的敏感性，1這是乏味和復(fù)雜的。第二種方法是最佳和實(shí)用的方法，即運(yùn)行快速系統(tǒng)性能評(píng)估，其中SCP硬件平臺(tái)的即插即用系統(tǒng)發(fā)揮作用。

為了測(cè)量硬件的性能，獲得了CN0513噪聲指標(biāo)。波形發(fā)生器的1 kHz正弦波用作評(píng)估板的輸入，并檢查ADC采樣的正弦波的等效FFT。此過程首先使用板載電源完成，以參考AD4020的性能。之后，SCP平臺(tái)作為外部電源連接到評(píng)估板。每個(gè)正電源軌都經(jīng)過三次檢查：使用SCP配置器的建議，僅使用切換臺(tái)板，僅使用LDO板。另一方面，負(fù)電源軌僅使用默認(rèn)建議進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)檩敵鲭妷阂蟮陀谪?fù)開關(guān)穩(wěn)壓器板的最小輸出電壓，并且負(fù)LDO穩(wěn)壓器無法連接到輸入正電壓。

圖 17.使用SCP平臺(tái)作為外部電源的CN0513的噪聲測(cè)量。

這些測(cè)試證明了不同電源管理IC組合對(duì)SAR ADC性能的影響。表2、表3和表4顯示了ADC在不同電源軌下的噪聲參數(shù)。

分析

從表 2、3 和表 4 中，SCP 硬件板不同配置之間的噪聲指標(biāo)具有可比性。對(duì)于5.5 V正電源軌，僅使用切換器板或LDO板本身是一個(gè)可能的選擇，因?yàn)樗韧瑫r(shí)使用LDO和開關(guān)板的配置有所改進(jìn)。對(duì)于1.8 V AD4020電源軌，僅使用LDO板可獲得三種配置中最高的動(dòng)態(tài)范圍、SNR、SINAD和最低THD。但是，SFDR低于組合開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO板。3.3 V數(shù)字電源軌的數(shù)據(jù)顯示，可以使用所有配置，因?yàn)閷?duì)于每個(gè)指標(biāo)，不同的配置具有最佳測(cè)量值。不同電源軌之間的數(shù)據(jù)彼此比較，但測(cè)量中的這些差異會(huì)對(duì)應(yīng)用的性能產(chǎn)生很大影響。

如果使用單獨(dú)的演示板，則使用不同SCP配置對(duì)噪聲指標(biāo)的這些觀察將花費(fèi)更多時(shí)間。噪聲指標(biāo)的差異會(huì)對(duì)電源解決方案將要為其供電的信號(hào)鏈產(chǎn)生巨大影響，因此擁有一個(gè)能夠減少確定系統(tǒng)最佳電源解決方案所需的時(shí)間和精力的平臺(tái)會(huì)有所幫助。當(dāng)考慮噪聲指標(biāo)時(shí)，該平臺(tái)也表現(xiàn)良好，這可以幫助設(shè)計(jì)人員了解電源解決方案的其他方面，例如效率、成本和解決方案尺寸。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)和評(píng)估電源解決方案時(shí)需要考慮許多因素，并且需要時(shí)間來評(píng)估其性能。本文通過測(cè)量具有不同電源軌配置的CN0513噪聲指標(biāo)來演示信號(hào)鏈電源（SCP）平臺(tái)，如果使用傳統(tǒng)方法，這項(xiàng)任務(wù)可能需要大量時(shí)間。SCP硬件評(píng)估平臺(tái)和SCP配置器工具可以緩解電源解決方案設(shè)計(jì)和評(píng)估中的許多挑戰(zhàn)，從而使任何專業(yè)知識(shí)水平的信號(hào)鏈系統(tǒng)工程師受益。

審核編輯：郭婷