在功耗敏感型应用中利用高效率_超低功耗开关稳压器为精密SAR ADC供电.doc

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1、在功耗敏感型应用中利用高效率_超低功耗开关稳压器为精密SARADC供电　　精密测量已延伸到需要越来越高电源效率的应用领域。物联网的到来使这一点尤为明显，因为物联网更加需要具有精密测量能力的无线传感器节点，电池供电的可穿戴健身/医疗设备，以及使用隔离电源供电、4mA到20mA环路供电或电池供电现场仪表的工业信号链。在这些场景中，电源效率越高，意味着电池使用时间越长，维护越少，电源设计越简单。　　通常，精密测量系统将低压差稳压器（LDO）作为其电源方案的一部分，利用它来为精密ADC产生低噪声电源轨。然而，LDO的功率输出效率非常低下，大部分功率

2、常常作为热量损失掉。本文讨论为精密逐次逼近型（SAR）ADC实现更高效率电源解决方案的途径。实现方法是在迟滞模式下使用超低功耗开关稳压器，并分析性能得失——包括通过某种方式来智能控制开关稳压器，使之与SAR转换同步，从而改善噪声性能。　　在中高负载电流（数百mA到数A）的测量系统中，固定频率或脉宽调制（PWM）开关稳压器可非常有效地（常常大于90%）产生电源轨。然而，效率虽然高，但代价是会有开关纹波，其频率通常是固定的，从数百kHz到数MHz。如图1所示，典型精密SARADC的电源抑制比（PSRR）在低频至约100kHz时是非常好的——超过

3、此频率时，PSRR迅速下降。　　　　图1.SARADC模拟电源抑制与频率的关系　　精密SARADC以较低吞吐速率运行时，供应VDD线的典型负载电流在数mA或？A范围——因此，相比于LDO，使用固定频率开关稳压器直接为ADC供电在效率上没有优势。然而，高效率、超低功耗降压开关稳压器可在迟滞模式下工作，其静态电流非常低。　　在迟滞模式下，通过调节恒定峰值电感电流，稳压器利用PWM脉冲使输出电压略高于标称输出电压。当输出电压提高到输出检测信号超过迟滞上限时，稳压器进入待机模式。在待机模式下，高端和低端MOSFET及大部分电路都禁用，静态电流很低，

4、效率性能很高，如图2所示。待机模式期间，输出电容将能量送入负载，输出电压降低到低于迟滞比较器下限为止。稳压器唤醒，产生PWM脉冲，再次对输出充电。　　在迟滞情况下，开关纹波频率与负载电流和LC网络有关；对于数mA的负载，其在kHz范围内。在数kHz时，精密ADC的PSRR非常好，能够很好地抑制/衰减ADC数字输出端的开关纹波。　　　　图2.PWM（上图）和迟滞模式（下图）——效率与负载电流的关系　　以图3所示电路为例，它使用AD7980ADC；在全吞吐速率（1MSPS）时，其VDD电流消耗典型值为1.5mA；若降低吞吐速率，电流消耗会按比例

5、线性下降。这可从图4看出：采用5V电压轨供电时，2.5V稳压输出端的开关频率纹波为4.5kHz和50mV峰峰值。在ADC数字输出端，ADC以PSRR额定值衰减此纹波。在ADCFFT输出中，它表现为幅度？120dBFS、频率4.5kHz的杂散。对于ADC的5V输入范围，这相当于　　出现在ADC输出端的这种纹波水平对一个16位转换器而言是非常低的；5μV峰峰值对应于16位下的0.07LSB。这种水平的纹波会被埋在ADC噪底中，需要大量均值操作才能发现，在很多应用中都不会看到它。此输出纹波对应的PSRR为　　该要求与图1所示相似，AD7980在4

6、.5kHz时的PSRR约为77dB。　　　　图3.AD7980和ADP5300应用电路　　　　图4.ADP5300为AD7980供电时的迟滞开关纹波（交流耦合），以及1MSPS吞吐速率时的ADCFFT输出中的纹波音　　若ADC吞吐速率降低到10kSPS，则ADC的电流消耗按比例线性下降到15μA（约100倍），ADP5300的开关频率纹波相应地降低到46.5Hz（约100倍），幅度为55mV峰峰值，如图5所示。在46Hz时，该纹波再次在ADCFFT输出中出现，幅度为？120dB（5μV峰峰值），因为在该频率的PSRR相似。有证据表明存在93

7、Hz的二次谐波，其幅度更低，为？125dB。　　　　图5.ADP5300为AD7980供电时的迟滞开关纹波（交流耦合），以及10kSPS吞　　吐速率时的ADCFFT输出中的纹波音　　图6对照显示了ADP5300和LDO在不同ADC吞吐速率时的效率，两种情况均采用5V电压轨供电，调节2.5V输出。同预期一样，开关稳压器输送功率的效率远胜于LDO，在1MSPS时是90%对50%（针对5V输入），在较低ADC吞吐速率/较低电流消耗时保持得也更好，始终高于80%，直至5kSPS。ADC吞吐速率为1MSPS且使用LDO时，从5V电压轨消耗的电流为1.

8、5mA或7.5mW。使用ADP5300时，从5V电压轨消耗的电流为828μA或4.1mW，即ADC电源的功耗减少3.4mW或45%。　　　　图6.ADP5300和LDO的效率与A