在功耗敏感型應(yīng)用中使用高效、超低功耗開關(guān)為精密SAR ADC供電

精密測量正在擴(kuò)展到需要越來越高功率效率的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，對具有精確測量功能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)、電池供電的可穿戴健身/醫(yī)療設(shè)備以及使用隔離電源、4 mA 至 20 mA 環(huán)路供電或電池供電現(xiàn)場儀表的工業(yè)信號鏈的需求日益增加。在這些情況下，更高的電源效率意味著更長的電池壽命和更少的維護(hù)以及簡化的電源設(shè)計(jì)。

通常，精密測量系統(tǒng)使用低壓差穩(wěn)壓器（LDO）作為其電源方案的一部分，為精密ADC產(chǎn)生低噪聲電源軌。然而，LDO在供電方面可能非常低效，而且大部分功率通常在LDO中損失，以熱量的形式消散。本文討論一種為精密逐次逼近寄存器（SAR）ADC實(shí)現(xiàn)更高效率電源解決方案的方法。這是通過在遲滯模式下使用超低功耗開關(guān)穩(wěn)壓器并分析性能權(quán)衡來實(shí)現(xiàn)的，包括智能控制開關(guān)穩(wěn)壓器與SAR轉(zhuǎn)換同步以提高噪聲性能的方法。

固定頻率或脈寬調(diào)制 （PWM） 開關(guān)穩(wěn)壓器提供了一種非常有效（通常為 >90%）的方法，可在中高負(fù)載電流（數(shù)百 mA 至多個 A）下在測量系統(tǒng)中生成電壓軌。然而，這種效率是以開關(guān)紋波為代價的，開關(guān)紋波通常處于數(shù)百kHz至幾MHz的固定頻率。如圖1所示，典型精密SAR ADC的電源抑制比（PSRR）在高達(dá)~100 kHz的低頻下非常好，除此之外，PSRR會迅速下降。

圖1.SAR ADC模擬電源抑制與頻率的關(guān)系

為 V 供電的典型負(fù)載電流DD精密SAR ADC的線路在幾mA范圍內(nèi)，如果ADC以較低的吞吐量運(yùn)行，則為μA，因此使用固定頻率開關(guān)直接為ADC供電而不是LDO沒有效率優(yōu)勢。

然而，高效率、超低功耗降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器可以在遲滯模式下工作，靜態(tài)電流非常低。

在遲滯模式下，穩(wěn)壓器通過調(diào)節(jié)恒定峰值電感電流，用PWM脈沖對略高于其標(biāo)稱輸出電壓的輸出電壓進(jìn)行充電。當(dāng)輸出電壓增加直到輸出檢測信號超過遲滯上限閾值時，穩(wěn)壓器進(jìn)入待機(jī)模式。在待機(jī)模式下，高端和低端MOSFET以及大多數(shù)電路被禁用，以允許低靜態(tài)電流和高效率性能，如圖2所示。在待機(jī)模式下，輸出電容向負(fù)載提供能量，輸出電壓降低，直到降至遲滯比較器下限以下。穩(wěn)壓器喚醒并產(chǎn)生PWM脈沖以再次為輸出充電。

圖2.PWM（頂部）和遲滯模式（底部）—效率與負(fù)載電流的關(guān)系。

在遲滯情況下，開關(guān)紋波頻率是負(fù)載電流和LC網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)，對于幾mA的負(fù)載，則在kHz范圍內(nèi)。在幾kHz時，精密ADC的PSRR非常好，可以很好地抑制/衰減ADC數(shù)字輸出端的開關(guān)紋波。

以圖3所示采用AD7980 ADC的電路為例;其VDD全吞吐量（1 MSPS）下的電流消耗典型值為5.1 mA，并隨著吞吐量的降低而線性擴(kuò)展。如圖4所示，開關(guān)頻率紋波為4.5 kHz，峰峰值為50 mV，采用2 V電源軌，采用5.5 V穩(wěn)壓輸出。該紋波在ADC數(shù)字輸出端被ADC的PSRR額定值衰減。在ADC FFT輸出中，它在120.4 kHz時顯示為?5 dBFS幅度的雜散。對于ADC上的5 V輸入范圍，這相當(dāng)于

圖3.AD7980和ADP5300應(yīng)用電路

圖4.ADP5300遲滯開關(guān)紋波（交流耦合），為AD7980供電時，ADC FFT輸出中的紋波音為1 MSPS吞吐量。

對于16位轉(zhuǎn)換器來說，ADC輸出中顯示的紋波水平極低;5 μV峰峰值對應(yīng)于0位時的07.16 LSB。該電平的紋波隱藏在ADC本底噪聲中，需要大量的平均才能發(fā)現(xiàn)它，在許多應(yīng)用中都看不到。該輸出紋波對應(yīng)于 PSRR

該測量結(jié)果類似于圖1所示的AD7980 PSRR，在77.4 kHz時為~5 dB。

如果ADC吞吐量降至10 kSPS，則ADC的電流消耗線性下降至15 μA（系數(shù)為~100），相應(yīng)地，ADP5300的開關(guān)頻率紋波將降至46.5 Hz（系數(shù)為~100），峰峰值幅度為55 mV，如圖5所示。紋波再次出現(xiàn)在46 Hz的ADC FFT輸出中，幅度為?120 dB（峰峰值為5 μV），因?yàn)镻SRR在此頻率下相似。有證據(jù)表明，在93 Hz處的二次諧波下降為?125 dB。

圖5.ADP5300遲滯開關(guān)紋波（交流耦合），為AD7980供電時，ADC FFT輸出中的紋波音為10 kSPS吞吐量。

圖6顯示了從5300 V電源軌調(diào)節(jié)2.5 V輸出時，ADP5的效率與LDO的效率在ADC吞吐速率范圍內(nèi)是如何疊加的。如您所料，開關(guān)穩(wěn)壓器在提供功率方面的效率遠(yuǎn)高于LDO，在90 MSPS時為50%和5%（對于1 V輸入），并且在較低的ADC吞吐速率/較低電流消耗下保持得更好，在80 kSPS之前保持在5%以上。

圖6.ADP5300和LDO的效率與ADC吞吐速率的關(guān)系

當(dāng)使用LDO的ADC吞吐量為1 MSPS時，5 V電源軌消耗的電流為1.5 mA或7.5 mW。使用ADP5300時，5 V電源軌消耗的電流為828 μA或4.1 mW。ADC電源消耗的功耗降低了3.4 mW或45%。

AD7980在1 MSPS下的性能，采用ADP5300作為VDD電源如圖7所示，具有10 kHz近滿量程輸入信號（?0.5 dB）。該ADC仍符合數(shù)據(jù)手冊中的SNR （91.5 dB）和THD （?103 dB）規(guī)格。但是，ADP5300在4.5 kHz處的開關(guān)紋波在輸入信號頂部被調(diào)制，在10 kHz – 4.5 kHz （5.5 kHz）和10 kHz + 4.5 kHz （14.5 kHz）時顯示為雜散。這些雜散仍處于非常低的水平（?116 dBFS），遠(yuǎn)低于基波信號二次諧波引入的THD（103 kHz時?8.20 dBFS）。這些偽像只是16位LSB的一小部分，因此在許多應(yīng)用中，ADP5300穩(wěn)壓器的節(jié)能是完全可以接受的。

圖7.采用ADP7980作為V的AD5300的性能DD供應(yīng)。在基波信號（10 kHz ±4.5 KHz）周圍可以看到開關(guān)紋波調(diào)制引起的邊帶。

ADP5300開關(guān)穩(wěn)壓器具有停止開關(guān)功能，可完全消除ADC FFT輸出中出現(xiàn)的這些開關(guān)紋波偽像。ADP5300上的STOP引腳可防止SW引腳在STOP保持高電平時切換。這可用于防止在ADC的噪聲敏感轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生任何開關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，CNV信號和STOP信號連接在一起（見圖3），來自處理器的CNV信號在ADC的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)定時保持高電平。對于AD7980，最大值為710 ns，轉(zhuǎn)換在CNV上升沿啟動。結(jié)果如圖 8 所示。在這種情況下，紋波頻率變化更大，因?yàn)橹挥刑囟ǖ臅r間SW節(jié)點(diǎn)可以打開和調(diào)節(jié)。另請注意，從STOP信號變?yōu)榈碗娖降腟W導(dǎo)通時間可能為數(shù)百ns。在圖8中，SW引腳在STOP下降沿后導(dǎo)通~850 ns。這意味著我們不能在1 MSPS ADC吞吐量下使用STOP功能作為VDD電源將脫離調(diào)節(jié)并崩潰，因?yàn)镾W引腳沒有足夠的時間升高并調(diào)節(jié)。相反，STOP 函數(shù)適用于 500 kSPS 及以下的吞吐量。

圖8.ADP5300開關(guān)紋波（黃色），具有500 kSPS吞吐量時的STOP功能，CNV/STOP信號（藍(lán)色）和ADP5300的SW引腳（粉紅色）。

如圖9所示，通過使用STOP信號，ADC本底噪聲完全消除了開關(guān)紋波雜散。當(dāng)施加10 kHz的輸入信號時，除了正常的諧波外，基波周圍沒有調(diào)制或偽影。但是，當(dāng)SW引腳被禁用（STOP高電平）時，由于SW引腳上的振鈴，使用STOP功能會降低效率。ADC吞吐速率為5300 kHz的ADP500的效率降至~75%。這仍然遠(yuǎn)高于LDO可能的效率（<50%），并且提供了在處理器/微控制器控制下的應(yīng)用中如果對STOP功能使用單獨(dú)的控制線，則可以在功耗/性能之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖9.采用ADP7980作為V的AD5300的性能DD具有定時到轉(zhuǎn)換周期的停止功能的電源。

ADP5300等開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案的成本和PCB面積可與LDO相媲美。BOM的主要補(bǔ)充是片式電感器，2.2 μH電感可以小至0603尺寸，LDO解決方案已經(jīng)需要輸入和輸出電容。這使其成為在功耗敏感型應(yīng)用中使用LDO的有吸引力的替代方案，而不會顯著影響精度性能。

采用5300 V電源軌為AD45等精密ADC供電時，與LDO相比，ADP7980等高效、超低功耗開關(guān)穩(wěn)壓器可節(jié)省5%的功耗。這在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中具有許多優(yōu)勢，可延長無線傳感器節(jié)點(diǎn)或可穿戴健身設(shè)備、功耗敏感型隔離工業(yè)系統(tǒng)以及 4 mA 至 20 mA 環(huán)路供電系統(tǒng)的電池壽命。

審核編輯：郭婷