使用 DCDC 转换器为 ADC 供电

在这篇文章中，我将介绍用于模拟 Vdd (AVDD) 和数字 Vdd (DVDD) 电源的 DC/DC 转换器。了解 ADC 电源引脚如何对 DC/DC 转换器作出反应至关重要，因为 DC/DC 转换器因其高功率效率而成为大多数(如果不是全部)供电方案的一部分。

DC/DC 转换器效率可以在 90% 左右，在需要供电的情况下提供最节能的解决方案。DC-DC转换器的内部功耗有两个主要组成部分：静态功耗和动态功耗

静态功耗对应于实现芯片功能所需的能量，通常为 ，其中I Q是静态电流，V S是电源电压。

动态功耗对应于将所需功率传输到负载所需的能量。在 DC-DC 转换器中，主要的贡献者是能量损失：

· 在切换过渡期间。

· 驱动输出金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。

· 在 MOSFET 中由于内部串联电阻。

· 在用于平均输出电压的电感器中产生直流电压。

请注意，轻负载电流下的效率会急剧下降，并且确实可能比在轻负载下运行的线性稳压器的效率更差。因此，当负载最佳或负载在指定范围内变化时，DC/DC 转换器总是更好，以确保效率。TPS54120的最高效率达到 500mA 以上(>85%);对于TPS62080，它介于 300mA 至 800mA(>90%)之间。

我不会花更多时间在 DC/DC 转换器的选择上，因为最佳解决方案将取决于效率、成本、印刷电路板 (PCB) 占用的面积与可用面积、可能的电磁干扰等......

在此分析中，我将使用TPS54120和TPS62080作为电源解决方案的示例来评估不同开关频率的影响。TPS54120的开关频率典型值为 480kHz ，TPS62080的开关频率为 1.5MHz。TPS54120 是一款双输出器件，其中一个输出为低噪声、低压差线性稳压器 (LDO)，另一个输出为 DC/DC 转换器。TPS62080是一款1.2A 高效降压转换器。

TPS54120是一款用途极其广泛的器件，其 PCB 占位面积很小，可用作高效 LDO(DC/DC 和 LDO 串联使用);

TPS62080是一款1.5MHz、1.2A 降压 DC/DC 转换器。请注意，此响应表现出 8mV PP纹波。此响应是TPS62080贪睡模式，一旦负载连接到其输出，将类似于TPS54120 DC/DC 响应。

对于 200mA 负载(例如ADC3444将展示的负载)，从效率的角度来看，这些并不是最好的 DC/DC 转换器，但可以理解的是，负载将与板上的其他组件共享。适用于各种负载的TPS54120 DC/DC 转换器 FFT。在该图中，我们可以注意到随着负载的增加，基波及其谐波的幅度都增加了。这些降级将在 ADC 的输出频谱中找到，以获得稳定的附加 DC/DC 转换器负载，而不是 ADC 提供的负载。如果这个额外的负载发生变化，那么我们还必须处理 DC/DC 转换器的幅度调制。

我选择TPS54120和TPS62080是因为它们的可用性，允许使用两个非常不同的开关频率(480kHz 和 1.5MHz)评估ADC3444 。

首先查看之前文章中ADC3444的 DVDD 电源，请参阅“测量 ADC 中的 PSR ”，我们知道 DVDD 引脚上允许的最大纹波约为 15mV PP。纹波低于此值将确保 ADC FFT 上不会出现大于 -95dBFS 的音调。

我们可以注意到电源是电池。电池的使用保证了电源开关噪声的唯一来源是 DC/DC 转换器。在被测 DVDD 电源上，我们插入了没有任何后置滤波的 DC/DC 转换器，仅在每个ADC3444 DVDD 引脚上保留了四个 0.22µF 电容器。AVDD 电源引脚由相同的电池供电，但这次采用低噪声 LDO，以确保在适当的电压下进行调节，同时还对任何外部开关噪声和 AVDD 引脚的低热噪声提供出色的抑制，同时为 AVDD 电源提供低阻抗，这是一个良好的电源所期望的。

我们现在已经确认我们之前的计算，根据我的经验，纹波低于 600µV PP，DVDD 电源在高于 -95dBFS 的开关频率下没有任何音调。然而，DVDD 电源也为内部时钟电路供电，为内部采样和保持电路供电。时钟相位噪声与开关频率的卷积产生了从 200kHz 一直到 1MHz 的能量分布。

尽管此处未显示细节，但在 19.8MHz 的信号周围没有出现任何音调，正如ADC3444 PSR 曲线所预期的那样。

使用 AVDD 电源评估相同的两个 DC/DC 转换器，在这种情况下，我们将电池加 DC/DC 布置连接到 AVDD 电源和电池加上 TPS7A47 到 DVDD 电源。

知道了 DC/DC 转换器纹波电压幅度和频率，这也证实了 PSRR 在 ADC 的 AVDD 电源上是不够的。因此，我们必须先降低 DC/DC 转换器的开关频率幅度，然后再将其连接到 ADC AVDD 电源引脚。

ADC3444 AVDD 和 DVDD 电源引脚由相同的 6V 电池供电，但使用独立的低噪声 LDO。(在这种情况下，TPS7A47)。查看数据，我们可以清楚地看到，在开关频率处出现了一个非常低的纹波，主要是由于使用 3A DC/-DC 转换器驱动 40mA 负载而导致的，并且这里没有卷积。但是，存在 19.8MHz 的音调对开关频率的上变频;-102dBFS 信号明显来自本底噪声。随着 DC/DC 转换器中的负载越来越大，电源的噪声贡献将增加，如图 7 所示，因此有必要在 DC/DC 转换器之后使用滤波策略。请注意，典型噪声增加仅在室温下进行表征，不考虑 DC/DC 转换器、外部组件或温度的任何其他变化。

到目前为止，在本系列文章中，我们已经看到：如何测量 ADC 的 PSRR，评估 ADC PSR 随频率变化的情况，以及刚刚发现电源不足导致的信号链退化。在本系列的其余文章中，我将研究电源噪声对 ADC 性能的影响以及 DC-DC 转换器后置滤波的改进，最终开发出完整的解决方案。