使用DC / DC转换器为ADC供电

在我之前的博客“ 测量ADC中的PSR ”中，我开发了一个完整的PSR表征程序，用于具有低压差分信号（LVDS）输出的流水线模数转换器（ADC）以及开发电源所需的方法。电源引脚上允许的最大纹波的电源规格。

在博客的第二部分中，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转换器由于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转换器的效率可以达到90％左右，为需要提供电源的解决方案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，通常情况下，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。

图1显示了DC-DC转换器的效率曲线。

图1：（a）TPS54120 DC / DC（b）TPS62080 DC / DC

效率曲线效率曲线

请注意，轻负载电流下的效率会急剧下降，并且确实会比使用轻负载工作的线性稳压器的效率更差。因此，当最佳加载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，它的电流为300mA至800mA（> 90％）。

我不会花更多的时间选择DC / DC转换器，因为最好的解决方案将取决于效率，成本，印刷电路板（PCB）占用面积与可用，可能的电磁干扰等......

对于此分析，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。该TPS54120在480kHz典型和被切换TPS62080在1.5MHz的。该TPS54120是具有一个输出端是一个低噪声，低压差线性稳压器（LDO）和一个输出端是一个DC / DC转换器的双输出装置。该TPS62080是1.2A高效率降压转换器。

该TPS54120是与可以用作任一高效率的LDO（DC / DC和LDO串联使用）的小的PCB占用一个非常灵活的设备; 见图2（a）或电源树优化器（DC / DC和LDO独立使用）; 见图2（b）。

A）1A时为12V至1.8V; 效率~70％}

B）3A时为2.3V至1.2V; 效率DC-DC ~83％}
{1.3V至1.8V，1A; 效率LDO = 78.3％}

图2：（a）高效LDO，（b）电源树优化器配置

在无负载条件下，时域响应TPS54120呈现600μV PP纹波，如图3。

图3：TPS54120 DC / DC转换器时域纹波

该时域纹波可以转换为频域图; 见图4。

图4：TPS54120 DC / DC转换器频域响应

该TPS62080是1.5MHz的，1.2A降压DC / DC转换器。图5说明了其时域空载响应。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，它将类似于TPS54120 DC / DC响应。

图5：TPS62080时域空载响应

图5的快速傅里叶变换（FFT）如图6所示。

图6：TPS62080空载FFT

图4和图6都显示了ADC需要拒绝的组件。对于200mA负载（例如ADC3444将展示的负载）而言，从效率的角度来看，这些并不是最好的DC / DC转换器，但据了解，负载将与板上的其他组件共享。图7显示了各种负载的TPS54120 DC / DC转换器FFT。在此图中，您可以注意到负载较重时基波及其谐波的幅度增加。这些降级将在ADC的输出频谱中找到它们的方式，以获得稳定的额外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变化，那么你将不得不处理DC / DC转换器幅度的调制。

图7：各种负载的TPS54120 FFT

由于它们的可用性，我选择了TPS54120和TPS62080，允许用两种截然不同的开关频率（480kHz和1.5MHz）评估ADC3444。

首先看一下之前博客中ADC3444的DVDD电源，请参阅“ 测量ADC中的PSR ”，我们知道DVDD引脚的最大允许纹波约为15mV PP。纹波低于此值将确保ADC FFT上不会出现大于-95dBFS的音调。

我的评估基于图8所示的框图。在此图中，您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DVDD电源上，我们在没有任何后置滤波的情况下插入了DC / DC转换器，只在每个ADC3444 DVDD引脚上保留了四个0.22μF电容。AVDD电源引脚由相同的电池供电，但此时接着是低噪声LDO，以确保在适当的电压下进行调节，同时还可以很好地抑制任何外部开关噪声和AVDD引脚的低热噪声为良好的电源提供AVDD电源提供低阻抗。

图8：ADC3444 DVDD测试配置
（注意：没有使用铁氧体磁珠，因为我们正在评估ADC3444电源抑制比[PSRR]性能）

TPS54120 DC-DC 的ADC FFT结果如下图9所示。

图9：（a）ADC3444参考图; （b）ADC3444 FFT，TPS54120作为DVDD电源

我们现在有我们先前的计算，从我的“确认在ADC测量PSR ”后，下面600μV波纹PP时，DVDD供应并没有在上面-95dBFS开关频率的任何音。但是，DVDD电源还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的能量在200kHz之间一直到1MHz。

尽管这里没有显示细节，但在19.8MHz的信号周围没有音调，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（见框图10），我们得到的结果如图11所示。在这种情况下，我们将电池加DC / DC配置连接到AVDD电源和电池加上TPS7A47到DVDD电源。

图10：AVDD评估框图

了解DC / DC转换器的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，在将DC / DC转换器连接到ADC AVDD电源引脚之前，我们必须降低其开关频率幅度。

图11：（a）和（c）ADC3444参考图; （b）ADC3444 DC-FFT，TPS54120作为AVDD电源;
（d）采用TPS54120作为AVDD电源的ADC3444 FFT （单音周围细节）

对于参考图，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，开关频率出现了一个非常低电平的纹波，主要是由于使用3A DC / -DC转换器来驱动40mA负载，并且这里没有卷积。然而，存在开关频率通过19.8MHz的音调的上转换; 一个-102dBFS的信号显然来自本底噪声。图12总结了正弦波噪声杂散的位置。详细信息请参见“在ADC中测量PSR”一文。

图12：噪声刺激位置

随着DC / DC转换器中的负载将变得更大，功率的噪声贡献将增加，如图7所示，使得必须在DC / DC转换器之后使用滤波策略。请注意，典型的噪声增加仅在室温下表征，并且不考虑DC / DC转换器，外部组件或温度的任何其他变化。

到目前为止，在这一系列博客中我们已经看到：如何从ADC测量PSRR，评估ADC PSR随频率的变化，以及刚刚开发出电源不良带来的信号链劣化。在本系列的其余博客中，我将介绍电源噪声对ADC性能的影响以及DC-DC转换器后置滤波的改进，以及最终开发完整的解决方案。