ADC設(shè)計降低功耗，讓電池“走”的更長遠

隨著著醫(yī)療、消費電子和工業(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，因為低功耗系統(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)，即在增強產(chǎn)品功能或性能的同時降低或者至少不得超過當前的功耗預(yù)算。
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當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。了解這些指標以及設(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。
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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。

PAVG = 平均功耗。
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PCONV = 轉(zhuǎn)換期間的功耗。
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PSTBY = 待機或關(guān)斷模式下的功耗。
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tCONV = 轉(zhuǎn)換所用時間。
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tSTBY = 處于待機或關(guān)斷模式的時間。
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轉(zhuǎn)換期間所用功耗通常遠大于待機功耗，因此如果處于待機模式的時間增加，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
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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，因為功耗與輸入電壓成正比。為 VDDADC 選擇最低可接受 VDDVDD 將可降低功耗。
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針對低功耗應(yīng)用的所有 ADC 都具有關(guān)斷或待機模式，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)換后自動進行。
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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，因為要驅(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，只要謹慎使用這些模式都能顯著節(jié)省電能。
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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)部基準電壓源的 ADC，重新啟動時間將由基準電容重新充電所需的時間決定。采用外部基準電壓源的模數(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。
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對于當今市場上的所有 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。
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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，以及基準電容的重新充電時間，因為 AD7091R 具有片內(nèi)基準電壓源。基準電容重新充電所需的時間取決于電容大小，以及片內(nèi)基準電壓源重新啟動時電容的剩余電荷水平。
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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行，允許器件在轉(zhuǎn)換完成時進入低功耗模式，從而節(jié)省電能。
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當 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)換時間和可實現(xiàn)的吞吐速率，進而影響功耗。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。

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。
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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 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。
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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）上的容性負載，因為這些 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。為容性負載充電所需的功率(PL)是負載(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。

由于 ADC 驅(qū)動 SDO 引腳，主機微控制器驅(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現(xiàn)最低功耗。
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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的結(jié)果并控制轉(zhuǎn)換過程。這點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。
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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。當結(jié)果為 101010…序列時，功耗最大；當結(jié)果為全 1 或全 0 時，功耗最小。
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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的電源來為模擬電路和數(shù)字接口供電。使用單獨的 VDRIVE 電源時，設(shè)計靈活性更高并且無需電平轉(zhuǎn)換器，因為模數(shù)接口電壓可與 SPI 主機的電壓相匹配。為 VDRIVE 選擇可用的最低電壓時，系統(tǒng)功耗將最低。
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圖 2 比較了 12 位 ADC 在 VDRIVE 值為 3 V 和 1.8 V 時標準 SPI 接口（含 CS、SDO 和 SCLK）的典型功耗要求與總?cè)菪载撦d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。
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圖 2. 典型接口功耗與容性負載的關(guān)系

ADC 電路設(shè)計的其它典型構(gòu)成要素包括基準電壓源和運算放大器。不言而喻，應(yīng)針對低功耗認真選擇這些元件。有些基準電壓源帶有關(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 性能達到最佳，同時使功耗降至最低。
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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。
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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。
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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 f（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）。
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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。可以清楚看出，隨著吞吐速率降低，電池壽命明顯延長。
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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）。這相當于將 CR2032 電池壽命延長 400 小時?？紤]需要外部基準電壓源的其它器件時，節(jié)省效果更為明顯。
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結(jié)論

ADC設(shè)計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??；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。