靜音開關(guān)穩(wěn)壓器μ模塊穩(wěn)壓器可為GSPS采樣ADC供電

作者：ADC

高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 已發(fā)展到每秒千兆采樣 （GSPS） 領(lǐng)域，可用帶寬也相應(yīng)增加。這些性能改進(jìn)帶來了許多挑戰(zhàn)，其中之一是更復(fù)雜的電源要求。例如，2.6 GSPS ADCAD9625需要七個獨(dú)立的電源軌，分為三個電壓電平：1.3 V、2.5 V和3.3 V。

完整的ADC電源系統(tǒng)必須高效，適合已經(jīng)擁擠的PCB，并產(chǎn)生與負(fù)載靈敏度相匹配的輸出噪聲。平衡這些需求（通常彼此不一致）是系統(tǒng)設(shè)計人員的首要參數(shù)優(yōu)化問題。傳統(tǒng)上，通過將開關(guān)穩(wěn)壓器（噪聲大但高效）與低壓差（LDO）后置穩(wěn)壓器相結(jié)合來解決該問題，后者可能效率相對較低，但它們降低了電源噪聲。圖1顯示了典型系統(tǒng)的框圖。

不幸的是，效率和噪聲性能優(yōu)化通常以犧牲系統(tǒng)復(fù)雜性為代價。圖2顯示了使用μModule靜音開關(guān)穩(wěn)壓器的替代電源系統(tǒng)。該解決方案在更小的空間內(nèi)為ADC提供安靜的電源，并且比傳統(tǒng)解決方案效率更高。??

考慮噪聲

系統(tǒng)設(shè)計人員必須考慮量化負(fù)載的靈敏度，并使其與電源噪聲相匹配。通過在電源路徑中使用LDO穩(wěn)壓器，既可以作為獨(dú)立穩(wěn)壓器（圖2），也可以作為開關(guān)穩(wěn)壓器之后的后置穩(wěn)壓器，如圖1所示，從而將電源噪聲降至最低。LDO穩(wěn)壓器能夠抑制輸入電源噪聲，以電源抑制比（PSRR）來衡量。

使用LDO穩(wěn)壓器改善噪聲性能的代價是效率較低。LDO穩(wěn)壓器在高降壓比下效率低下，因為它們必須在調(diào)整元件上耗散多余的功率，因此使用LDO穩(wěn)壓器的目標(biāo)是最小化降壓比以最大限度地提高效率。這就是為什么它們通常用作后置穩(wěn)壓器，跟隨固有噪聲但高效的開關(guān)穩(wěn)壓器，開關(guān)穩(wěn)壓器最初在LDO穩(wěn)壓器輸入之前降壓主電源軌。然而，當(dāng)用作后置穩(wěn)壓器時，最大化LDO穩(wěn)壓器的PSRR性能需要額外的裕量，從而進(jìn)一步降低整體電源效率，尤其是在較高負(fù)載下。

圖1.使用開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)GSPS ADC電源設(shè)計（傳統(tǒng)設(shè)計）。

圖2.傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO電源系統(tǒng)的替代方案，如圖1所示。該設(shè)計具有兩個直接為AD9625供電的LTM8065 μModule靜音開關(guān)穩(wěn)壓器。這種設(shè)計安靜、更緊湊、更高效 （LTM8065 無濾波設(shè)計）。

考慮簡單性和占用空間

傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器加LDO系統(tǒng)通常使用分立元件實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致PCB占位面積大而復(fù)雜，這違背了尺寸經(jīng)濟(jì)和設(shè)計簡單性的目標(biāo)。相比之下，這些目標(biāo)可以使用μModule穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)，由于關(guān)鍵穩(wěn)壓器元件集成在封裝中，尤其是相對較大的電感器，因此可以實(shí)現(xiàn)緊湊的PCB解決方案。

此外，μModule穩(wěn)壓器通?？梢蕴幚碜銐虻呢?fù)載，允許設(shè)計人員在單個μModule輸出上組合等效電壓電源軌。高電流能力還可以在現(xiàn)有的基于μModule穩(wěn)壓器的設(shè)計中添加電源軌，從而簡化設(shè)計修改，從而縮短上市時間。

此處所示的基于μModule穩(wěn)壓器的解決方案高效緊湊，非常適合高性能AD9625 12位2.6 GSPS ADC。電源由 LTM8065 提供，線性電源?靜音開關(guān)器 μModule 穩(wěn)壓器。靜音切換器技術(shù)幾乎消除了不可預(yù)測和難以濾除的高頻噪聲，從而轉(zhuǎn)化為與ADC靈敏度完美匹配的電源。

為了針對傳統(tǒng)電源設(shè)置測試μModule穩(wěn)壓器解決方案，AD9625的1.3 V和2.5 V電源軌由LTM8065 2.5 A降壓μModule穩(wěn)壓器供電。檢查了LTC電源模塊電源軌和輸出頻譜上的ADC電源噪聲靈敏度。

AD9625 ADC的傳統(tǒng)基準(zhǔn)電源系統(tǒng)設(shè)計

圖3顯示了傳統(tǒng)推薦的AD9625 2.6 GSPS ADC電源設(shè)置的部分原理圖。圖3僅顯示了2.5 V電源軌，其中還顯示了每個電源軌的典型電流要求。在一個完整的電源中，七個不同的電源域分為三個電壓電平：1.3 V、2.5 V和3.3 V。圖1中的框圖概述了完整的電源。

在該系統(tǒng)中，開關(guān)穩(wěn)壓器（兩個帶LC濾波器的20 V/6 A降壓轉(zhuǎn)換器ADP2386）充當(dāng)3.6 V和2.1 V中間電壓的前置穩(wěn)壓器。3.6 V輸出穩(wěn)壓器如圖3所示。這些中間電壓由每個穩(wěn)壓ADC輸入軌上的LDO穩(wěn)壓器進(jìn)一步降壓。LDO穩(wěn)壓器為ADC提供穩(wěn)壓，可有效減小開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波。

圖3.原理圖顯示了傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO系統(tǒng)的三個2.5 V電源軌，用于為AD9625供電。其他四個電源軌未在此處顯示，但在圖1的框圖中表示。

傳統(tǒng)的基線系統(tǒng)成功地產(chǎn)生了調(diào)節(jié)良好的低噪聲輸出，但代價是復(fù)雜性。在電路板上安裝眾多元件可能很困難，而且LDO效率在最高負(fù)載下可能會受到影響，從而可能產(chǎn)生熱問題。有沒有更好的方法？有。

LTM8065 μModule 穩(wěn)壓器，直接為 AD9625 ADC 的 1.3 V 和 2.5 V 電源軌供電

圖4顯示了圖2框圖中概述的替代電源解決方案的完整原理圖。該系統(tǒng)由兩個LTM8065 μModule穩(wěn)壓器和一個ADP7118 LDO穩(wěn)壓器組成。LTM8065是一款40 V輸入、2.5 A靜音開關(guān)μModule穩(wěn)壓器，采用耐熱性能增強(qiáng)型緊湊型包覆成型球柵陣列（BGA）封裝。該模塊包括開關(guān)控制器、電感器和其他支持組件。LTM8065支持0.97 V至18 V輸出電壓范圍和200 kHz至3 MHz開關(guān)頻率范圍，輸出電壓由單個外部電阻器設(shè)置。完整穩(wěn)壓器所需的其他元件只有輸入和輸出電容。

圖4.傳統(tǒng)ADC電源系統(tǒng)的替代方案。這款完整的七軌解決方案為AD9625 2.6 GSPS ADC供電。請注意，完整的原理圖與圖2中的框圖沒有太大區(qū)別。

在此解決方案中，LTM8065直接為1.3 V電源軌和2.5 V電源軌供電。3.3 V電源軌直接由ADP7118低噪聲LDO供電，采用12 V電源供電。3.3 V電源軌電流小于1 mA，因此LDO穩(wěn)壓器兩端的功耗可以忽略不計。

關(guān)于負(fù)載對電源噪聲的敏感性

ADC的電源靈敏度是設(shè)計電源系統(tǒng)時的首要考慮因素。對電源噪聲的敏感性可以通過測量ADC本身的PSRR或從數(shù)據(jù)手冊中檢索PSRR來確定。有兩種類型的PSRR：靜態(tài)PSRR和動態(tài)（交流）PSRR。靜態(tài)PSRR是電源電壓變化與由此產(chǎn)生的ADC失調(diào)誤差變化之比。這不是一個主要問題，因為DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)該為負(fù)載提供良好的調(diào)節(jié)電壓。另一方面，動態(tài)（交流）PSRR是電源設(shè)計人員關(guān)注的測量值，因為它代表了ADC在一定頻率范圍內(nèi)衰減電源引腳噪聲的能力。

ADC ac PSRR是通過在電源引腳上注入正弦波信號，同時直接在被測電源引腳上測量注入的正弦波信號幅度（在靠近電源引腳的去耦電容處探測）來獲取的。ADC FFT的本底噪聲上出現(xiàn)相應(yīng)頻率的數(shù)字化雜散。ADC FFT頻譜上注入信號的測量幅度與相應(yīng)數(shù)字化雜散幅度的比值為電源抑制比。圖5顯示了典型交流PSRR測量設(shè)置的框圖。

圖5.模數(shù)轉(zhuǎn)換器變頻器測試設(shè)置。

使用AD9625 2.6 GSPS ADC，在1.3 V模擬電源軌上主動耦合1 MHz、100 mV峰峰值正弦波。相應(yīng)的1 MHz數(shù)字化雜散出現(xiàn)在ADC的FFT本底噪聲上方，其幅度取決于1 MHz時的PSRR。在這種情況下，在FFT中，在?61.8 dBFS處，轉(zhuǎn)換器本底噪聲上方出現(xiàn)1 MHz數(shù)字化雜散，對應(yīng)于基準(zhǔn)電壓為892 μV p-p，模擬輸入滿量程范圍為1.1 V。

使用公式1計算1 MHz時的交流PSRR得到41 dB的交流PSRR。

其中：
數(shù)字化雜散是在ADC FFT中觀察到的雜散，對應(yīng)于電源引腳上注入的紋波。在這種情況下，雜散為892 μV p–p。

注入紋波是在輸入電源引腳上耦合和測量的正弦波。這里的紋波幅度為100 mV p–p。

LTM8065 μModule 穩(wěn)壓器，在 1.3 V 電源軌上附加 LC 濾波器為 AD9625 ADC 供電

圖6顯示，與2.5 V AVDD供電軌相比，1.3 V AVDD電源軌更容易受到電源噪聲的影響，特別是在LTM8065的開關(guān)頻率范圍（200 kHz至3 MHz）范圍內(nèi)。圖7顯示了另一種LTM8065解決方案，但為組合的1.3 V電源軌增加了一個低通LC（電感-電容）濾波器。

圖6.AD9625模擬電源輸入的電源抑制比。

圖7.在1.3 V電源軌上增加一個LC濾波器，以進(jìn)一步降低噪聲。

低通LC濾波器的元件推薦取決于需要多少濾波。對于1.3 V電源軌，至少需要20 dB濾波，以將開關(guān)雜散降低到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的本底噪聲。采用1.2 μH和4.7 μF的組合，截止頻率約為67 kHz（比LTM8065 1.3 V電源軌的開關(guān)頻率低~1倍頻程）。建議使用具有小直流電阻（DCR）的電感器，以防止電感兩端的壓降和功耗過大。

至于電容器，可以使用多層陶瓷電容器（MLCC）。MLCC具有低有效串聯(lián)電阻（ESR），可在電容器的自諧振處提供良好的衰減。電容器的最小阻抗由其ESR決定。MLCC還具有低有效串聯(lián)電感（ESL），可在高頻下提供出色的去耦性能。

鐵氧體磁珠用于濾除ADC電源軌上開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的高頻噪聲。它們還為每個組合電源軌提供高頻噪聲隔離。推薦通過磁珠的電流應(yīng)為鐵氧體磁珠直流額定電流的30%左右或更低，以防止磁芯飽和，這會降低磁珠的有效阻抗和EMI濾波能力。具有低直流電阻的鐵氧體磁珠可最大限度地降低磁珠上的壓降和功耗，尤其是在AVDD 1.3 V等高電流軌下。

評價結(jié)果

本文所示的三種電源配置是通過從具有262k個數(shù)據(jù)點(diǎn)的快速傅里葉變換（FFT）結(jié)果中采集AD9625的信噪比（SNR）和無雜散動態(tài)范圍（SFDR）來比較的。第一種配置是傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電源，如圖1所示。第二種配置是未濾波的LTM8065，如圖2所示。第三種配置是LTM8065，在1.3 V電源軌上帶有LC濾波器，如圖7所示。兩種基于 LTM8065 的解決方案均在啟用擴(kuò)頻調(diào)制的情況下運(yùn)行。

表1顯示了AD9625在三種電源配置下供電時的動態(tài)性能。使用了兩種不同的ADC模擬輸入載波頻率（729 MHz和1349 MHz）。當(dāng)由兩個基于 LTM8065 的電源供電時，ADC 的 SNR 和 SFDR 結(jié)果與基準(zhǔn)電源的結(jié)果相當(dāng)。數(shù)據(jù)顯示，LTM8065可以直接為AD9625供電，而無需使用額外的LDO穩(wěn)壓器，大大簡化了整體解決方案。

仔細(xì)檢查1349 MHz附近的頻段，可以發(fā)現(xiàn)與LTM8065（對于1.3 V電源軌）的690 kHz開關(guān)頻率（擴(kuò)頻啟用）相關(guān)的邊帶雜散，但調(diào)制幅度遠(yuǎn)小于典型的SFDR規(guī)格，如圖8a所示。不過，最好如圖8b所示消除這些邊帶雜散，因此建議在LTM8065解決方案中添加LC濾波器。

圖8.通過比較使用兩種不同電源系統(tǒng)的AD9625 FFT結(jié)果，可以看出LC濾波器對1349 MHz載波頻率附近調(diào)制雜散的影響：基于μModule穩(wěn)壓器的電源系統(tǒng)不帶LC濾波器（a）和基于μModule穩(wěn)壓器的電源系統(tǒng)（b）。

LC濾波器部分前后探測的頻譜輸出如圖9所示，表明噪聲濾波提高了25 dB。

圖9.1.3 V電源軌時的LTM8065頻譜成分（SSFM已啟用）。

擴(kuò)頻頻率調(diào)制（SSFM）通過在覆蓋編程值的范圍內(nèi)連續(xù)改變開關(guān)頻率，使其比該值高約20%，從而降低轉(zhuǎn)換器基波工作頻率處紋波的峰值幅度。SSFM在需要較低峰值EMI/紋波幅度的系統(tǒng)中最有用。SSFM的優(yōu)勢如圖10所示，其中顯示了LTM8065在SSFM啟用和禁用時1.3 V輸出的頻譜內(nèi)容。就基頻處的紋波峰值幅度而言，降低約10 dB至12 dB，同時諧波峰值明顯降低。

圖 10.1.3 V電源軌上的LTM8065頻譜內(nèi)容，SSFM打開和關(guān)閉。

使用LTM8065（擴(kuò)頻關(guān)閉）直接為1.3 V電源軌供電會產(chǎn)生高達(dá)二次諧波失真的調(diào)制峰值，如圖11所示。

圖 11.LTM8065 1.3 V電源軌禁用SSFM的1349 MHz模擬輸入載波的詳細(xì)信息。

測量的系統(tǒng)效率

基準(zhǔn)電源與采用LC濾波器的LTM8065系統(tǒng)之間的效率比較如圖12所示。LTM8065 電源解決方案將效率提高了 30%。

圖 12.基準(zhǔn)電源設(shè)計與基于 LTM8065 的系統(tǒng)版本 2 之間的效率比較。

印刷電路板尺寸比較

為了說明μModule穩(wěn)壓器解決方案的尺寸優(yōu)勢，在PCB上實(shí)現(xiàn)了基于LTM8065的LC濾波器解決方案。然后將所得功率部分的面積與現(xiàn)成的EVAL-AD9625評估板的功率部分進(jìn)行比較（使用基準(zhǔn)電源設(shè)計）。

圖13比較了標(biāo)準(zhǔn)EVAL-AD9625評估板（基準(zhǔn)電源）和修訂后的AD9625評估板（帶LC濾波器的LTM8065μModule穩(wěn)壓器）。使用 LTM8065 的電源解決方案組件幾乎完全位于 PCB 的頂部，而現(xiàn)有 EVAL-AD9625 評估板上的分立解決方案要求頂部 （LDO 穩(wěn)壓器） 和底部 （開關(guān)穩(wěn)壓器） 兩側(cè)均采用電源組件。基于 LTM8065 的解決方案將電源占板面積減小了 70% 以上。

圖 13.當(dāng)使用μModule靜音開關(guān)穩(wěn)壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制器/穩(wěn)壓器時，電源所需的面積大大減少。（a） 采用LTM8065的AD9625修訂版演示板與（b）現(xiàn)成的AD9625評估板進(jìn)行比較。突出顯示了兩個系統(tǒng)的電源部分。

表 2 比較了基于 LTM8065 的系統(tǒng)和基準(zhǔn)電源系統(tǒng)的總體組件數(shù)量和組件占板面積。LTM8065 解決方案在大約一半的占板面積內(nèi)使用不到一半的組件。

結(jié)論

LTM8065 μModule 靜音開關(guān)穩(wěn)壓器可為 AD9625 GSPS ADC 供電，與傳統(tǒng)分立式解決方案相比，具有顯著改進(jìn)，而不會影響 ADC 的動態(tài)性能。通過使用LTM8065直接為AD9625的1.3 V和2.5 V電源軌供電，可顯著減少元件數(shù)量和電源板空間。

不過，一些過濾會有所幫助。在非常高的模擬輸入頻率下，可以觀察到模擬輸入載波頻率和穩(wěn)壓器輸出紋波頻率之間的調(diào)制效應(yīng)。由于這種調(diào)制效應(yīng)，邊帶雜散的出現(xiàn)出現(xiàn)在模擬輸入載波周圍，并且在較高的模擬輸入頻率下更為明顯。

1.3 V電源軌上的噪聲是調(diào)制效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)?，因為LTM8065穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率附近電源抑制較低。雖然調(diào)制雜散的幅度不超過無雜散動態(tài)范圍規(guī)格，但最好使用簡單的LC低通濾波器來降低雜散，以衰減輸出紋波。這樣做會產(chǎn)生一個更干凈的數(shù)字化模擬輸入載波，沒有調(diào)制邊帶。

μModule穩(wěn)壓器電源解決方案的系統(tǒng)效率為78%，比現(xiàn)有的AD9625演示板提高了約30%。除了更高的效率 （以及由此帶來的簡化的熱管理）之外，由于完全獨(dú)立的 LTM8065 電源的緊湊特性，PCB板面積和組件數(shù)量顯著減少。

審核編輯：郭婷