使用开关稳压器为高速 ADC 供电的好处

功耗是设计人员选择高速数据转换器的最重要的系统设计参数之一。无论是在需要更长电池寿命的便携式设计中，还是对于耗散较少热能的小型产品，功耗都至关重要。系统设计人员传统上从低噪声线性稳压器(例如低压差稳压器)而不是开关稳压器为数据转换器供电，因为他们担心开关噪声会进入转换器的输出频谱并显着降低交流性能。

然而，用于手机的新一代噪声优化开关稳压器可最大限度地减少对附近低噪声和功率放大器的干扰，从而在实践中做出改变。它们使高速数据转换器能够直接由 DC/DC 转换器供电，而不会显着降低交流性能。此设计可立即将电源效率提高 20% 至 50%。

与前几代相比，现代高速转换器的功耗降低了约 50%，部分原因是将电源电压从 3.3V 降低到 1.8V。在基于低压差稳压器的设计中，随着电源轨的降低，稳压器的压差和可用电源轨对于电源效率变得更加关键。在电路板的数字部分，许多电压轨通常为 FPGA 和处理器的各种内核和 I/O 电压提供服务。然而，在模拟部分，可能只有少数“干净”选项可用，例如 3.3 和 5V。

对于高速数据转换器，您可以使用线性稳压器从通用 5Vrail 生成 3.3V 电源。低压差稳压器中 1.7V 的压降相当于大约 35% 的功率损耗。当使用低压降稳压器从 3.3V 总线为 ADC(例如 ADS4149)提供 1.8V 电源时，线性稳压器的功率损耗增加到大约 45%，这意味着几乎一半的功率消耗在低压差稳压器。这个例子说明了低效电源设计是多么容易失去 50% 的功率降低。开关稳压器的效率完全独立于输入电源轨，因此可以显着节省功耗。通过精心设计，您可以最大限度地减少对交流性能的影响。

电源滤波

将开关噪声与 ADC 隔离的关键组件是电源滤波器，它由铁氧体磁珠和旁路电容器组成。选择铁氧体磁珠时应考虑几个关键特性。首先，铁氧体磁珠必须为数据转换器提供足够的额定电流，并且它必须具有低 DCR(直流电阻)以最大限度地减少磁珠本身的电压降。例如，通过 DCR 为 1Ω 的磁珠的 200 mA 电源电流会导致电源电压下降 200 mV。当您考虑标准电源电压变化时，这种压降可能会将 ADC 的电压推至接近边缘甚至低于推荐的工作条件。

其次，铁氧体磁珠必须在 dc/dc 转换器的开关频率和谐波下具有高阻抗，以阻止开关噪声和开关杂散。大多数可用的铁氧体磁珠具有 100 MHz 的阻抗，而现代 DC/DC 转换器的开关频率通常为 500 kHz 至 6 MHz。在我们的示例中，ADS4149 评估模块使用开关频率为 2.25 MHz 的 TPS625290 开关稳压器。由于 DC/DC 稳压器具有方波输出，因此您还必须考虑高次谐波。Murata 的 NFM31PC276B0J3EMI 滤波器在该频率范围内提供高阻抗和低 DCR。

比较了电阻为 68Ω 的传统铁氧体磁珠在 100 MHz 与 MurataEMI 滤波器的插入损耗。电源电路具有低阻抗，插入损耗是在 50Ω 环境中测量的。因此，电源滤波器的插入损耗幅度可能会略有不同，尽管谐振频率不会改变。

电源滤波器的其他组件是旁路电容器。您应该选择这些电容器的值，以使它们产生低阻抗接地路径的谐振频率接近开关频率。因此，通过磁珠的开关噪声对地短路。电源滤波器的插入损耗比较 表明，适当的旁路电容值会产生接近开关频率的谐振，即使将其与 EXCML32A680 等传统铁氧体磁珠结合使用也是如此。但是，在低频时，它如果用 0Ω 电阻器代替，差别不大。另一方面，村田 EMI 滤波器在开关频率附近提供大约 20dB 的额外衰减。电源滤波器 使用 33μF 钽电容器进行宽频去耦，而 10μF、2.2μF 和 0.1μF 陶瓷电容器的谐振频率较窄。

交流性能

根据数据转换器的 PSRR，电源轨上的一定量噪声仍会进入 ADC 并降低其交流性能。 SNR 和 SFDR(无杂散动态范围)扫描比较了 基准电源，例如 1.8V、干净的实验室电源、低压差稳压器和具有不同电源滤波器选项的 DC/DC 转换器ADS4149 评估模块。

测试结果表明，与在 300 MHz 中频下的低噪声低压差稳压器相比，由开关稳压器供电时，SNR 性能下降约 0.3 dB。设置之间的 SFDR 性能也几乎相同。仔细观察归一化 FFT 图，该图从输入信号开始，绘制噪声与偏移频率的关系图，显示使用次优 EXC 铁氧体磁珠时奈奎斯特区的本底噪声略有升高，但没有任何开关频率馈通的证据。

电源效率

使用 dc/dc 转换器而不是线性稳压器的主要优点是节能。在 ADS4149 评估模块的所有实验中，一个外部 3.3V 电源(一个公共模拟电源轨)为低压差和开关稳压器供电。测得的功率效率及其各自的静态电流。该比较表明，低压差稳压器消耗的功率几乎与 ADC 一样多。开关稳压器的功耗仅比理想方法多 32 mW，实现了高效的电源设计。您可以通过降低输入电压(首先从 3.3V 到例如 2.5 或 2.2V)进一步提高低压差稳压器的效率，但代价是增加了系统成本和尺寸。

尽管具有比低压差设计更多的外部组件，但 DC/DC 转换器设计的总体占位面积可能更小，因为较新的 DC/DC 转换器具有更高的开关频率，从而大大减小了电感器的尺寸，例如，对于 2.25 μH，大约为 2.2μH MHz 而不是 500 kHz 的 33 μH。

相反，线性稳压器可能需要较少的电源滤波，但它们也有尺寸限制，因为它们通常会消耗更多功率。从成本的角度来看，由于元件数量更多，开关稳压器可能会稍微贵一些。尽管如此，提高效率可以节省散热技术和系统功率预算的成本。

随着系统设计人员寻求更节能的组件，将高速数据转换器设计中的电源架构更改为开关稳压器可以大大节省功耗。您可以直接从开关稳压器为低功耗、高速数据转换器供电，而不会显着降低其交流性能。