透過新方法為信號鏈系統(tǒng)建立電源解決方案
信號鏈系統(tǒng)將實(shí)體世界中的模擬數(shù)據(jù)連接到處理數(shù)據(jù)的數(shù)字世界。然而為信號鏈系統(tǒng)供電會是一項(xiàng)挑戰(zhàn),因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電源">電源不可以降低系統(tǒng)的整體性能。線性穩(wěn)壓器可以防止性能降低,但代價(jià)是功率損耗增加,因此效率降低。
另一方面,開關(guān)穩(wěn)壓器可明顯提升效率,但其開關(guān)特性會引入噪聲,從而影響信號鏈系統(tǒng)的性能。借助ADI的信號鏈電源(SCP) 硬件評估平臺 和 配套軟件工具,無論有無電源應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),訊號鏈硬件工程師都能簡單直覺為其訊號鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源。
什么是信號鏈電源(SCP)平臺?
SCP平臺是硬件和軟件的結(jié)合,可因應(yīng)為信號鏈系統(tǒng)開發(fā)電源時(shí)所遭遇的挑戰(zhàn)。其目的在指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師為其儀器儀表、測試測量、工業(yè)自動化精密訊號鏈應(yīng)用提供優(yōu)異且完整的電源解決方案。
SCP硬件是一組評估板,該平臺的配套軟件SCP Configurator為信號鏈工程師提供建議,協(xié)助他們選擇最適合其應(yīng)用的電源樹。SCP平臺硬件和SCP Configurator的結(jié)合,為設(shè)計(jì)工程師提供一種快速開發(fā)訊號鏈電源解決方案的方法。
圖1 : 為信號鏈開發(fā)電源解決方案的傳統(tǒng)方法之一是連接多個展示板。另 一種方法是使用多個工作臺電源。這兩種方法都會耗費(fèi)大量時(shí)間,尤其是在優(yōu)化解決方案時(shí)。
圖2 : 使用SCP平臺硬件的電源解決方案示例
信號鏈電源(SCP)硬件評估平臺
我們從數(shù)千款Power by Linear產(chǎn)品中挑選出一小部分可用于該硬件方案的產(chǎn)品列表,這些產(chǎn)品已在許多信號鏈應(yīng)用中使用,在列表中進(jìn)行挑選可簡化電源產(chǎn)品的選擇。其支持多種電源方案,可滿足精密信號鏈的大部分電源要求,信號鏈可以采用升壓、降壓、升降壓、反相和雙輸出升壓/反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該平臺包括一系列可用于后置穩(wěn)壓器以提升系統(tǒng)噪聲性能的正負(fù)LDO穩(wěn)壓器。
圖3 : SCP-ADP5070-EVALZ 雙通道DC-DC轉(zhuǎn)換器(左)和 SCP-LT3045-1-EVALZ LDO 穩(wěn)壓器(右)
硬件平臺中的電路板使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸,外形很小,附帶的輸入和輸出接頭具有預(yù)定的極性。這些接腳接頭的位置定義明確,支持創(chuàng)建多種板組合。電路板設(shè)計(jì)的這些方面有助于快速測試不同的電路板配置及其性能,同時(shí)保持小而簡單的工作空間。
圖4 : 雖然拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同,但 LT1956 降壓轉(zhuǎn)換器(左)和 LT3045-1 穩(wěn)壓器(右)具有相同的電路板尺寸
除供電外,SCP硬件還支持其他多種功能和特性。電路板在可能需要修改的組件上設(shè)計(jì)有超大的0805焊盤。這些組件包括回饋、補(bǔ)償、頻率設(shè)定、軟啟動、運(yùn)行和VIOC等。這使得返工和設(shè)計(jì)調(diào)整更加方便。一些SCP開關(guān)穩(wěn)壓器支持頻率同步。使用SCP板上提供的SMA連接器,可以透過該板饋送外部頻率。
SCP硬件并整合了追蹤功能,可透過輸入到輸出控制電壓(VIOC)控制為線性后置穩(wěn)壓器供電的開關(guān)前置穩(wěn)壓器。VIOC接腳是此追蹤功能的輸出,其驅(qū)動前置穩(wěn)壓器回饋(FB)接腳以將LDO穩(wěn)壓器輸入電壓保持在VOUT + VVIOC。該功能可用于大幅降低LDO穩(wěn)壓器的功耗,同時(shí)維持其PSRR性能。使用此功能可提高整體效率。
圖5 : 在LT3045-1 LDO穩(wěn)壓器上實(shí)現(xiàn)VIOC功能的示例
所有SCP開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO板都經(jīng)過配置,以便在系統(tǒng)需要以某種順序上電和/或關(guān)斷時(shí),用戶可以正確的控制每個電源軌的時(shí)序。用戶可以從系統(tǒng)發(fā)送數(shù)字高或低位準(zhǔn)訊號,以使能或禁用各電源模塊。也可以使用電源時(shí)序控制器和監(jiān)控器(如 LTC2928)來實(shí)現(xiàn)此功能。電路板有一個專用接頭,用于監(jiān)視輸出并將其設(shè)定為所需的電源序列。
SCP硬件平臺還包含板配件,包括1×2分線板、1×5分線板、5×1重整板、通板、濾板、單輸入板、單輸出板。
圖6 : 分線板可用于將單一輸入電壓分成多個軌
1×2和1×5分線板可用來建立多個并行電壓輸出軌。每個輸出軌上都增加了電流感測和輸出濾波功能。
5×1重整板將多輸出軌組合成單一引出端DUT連接器,透過SMA連接器提供額外的濾波、電流感測、功率和訊號測量,并提供插口用于標(biāo)準(zhǔn)輸出測量和表征。
圖7 : 5×1重整板將多個電源軌組合成單個連接器分線板
通板用于墊片,以平衡相鄰電源軌產(chǎn)生的間隙。濾板也可用于墊片,當(dāng)需要額外的被動濾波以獲得更好的系統(tǒng)噪聲性能時(shí)可以使用。濾板支持使用RC、LC、直通電容、鐵氧體磁珠和其他接腳網(wǎng)絡(luò)配置。
圖8 : 通板(左)和濾板(右)
單輸入和輸出板可用于單電源軌評估。它們還有多種接口選項(xiàng),例如香蕉插口、采集器或SMA,以用于表征輸入和輸出特性。
圖9 : 使用開關(guān)穩(wěn)壓器板、LDO板、輸入和輸出板的電源方案示例
利用SCP硬件平臺,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以輕松創(chuàng)建和設(shè)計(jì)完整的電源解決方案,并快速評估訊號鏈系統(tǒng)的性能。SCP電源板的即插即用配置還實(shí)現(xiàn)了快速簡便的電源系統(tǒng)優(yōu)化。當(dāng)設(shè)計(jì)優(yōu)化完成并準(zhǔn)備好整合到最終設(shè)計(jì)中時(shí),所有工程數(shù)據(jù)都可以在analog.com下載。
信號鏈電源(SCP) Configurator
SCP Configurator是SCP系列硬件評估板的配套軟件工具。它有一個簡單直覺的圖形用戶界面(GUI),無論有無電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)工程師都能快速為其訊號鏈系統(tǒng)產(chǎn)生電源解決方案。
算法根據(jù)用戶提供的要求產(chǎn)生電源架構(gòu)的最佳建構(gòu)模塊。首先應(yīng)確定訊號鏈系統(tǒng)需要的輸入電壓源、輸出電壓和預(yù)期負(fù)載電流值。如果特定電源軌要求低噪聲,則提供一個復(fù)選框并選中它。這會增加一個LDO后置穩(wěn)壓器以降低電源軌上的噪聲。這又回到了為訊號鏈開發(fā)電源解決方案時(shí)最具挑戰(zhàn)性的問題:「噪聲低到什么程度才算好?」
圖10中的GUI顯示產(chǎn)生的電源解決方案結(jié)果。它提供所產(chǎn)生電源解決方案的圖形展示,以協(xié)助用戶建構(gòu)電源樹并互連所有相關(guān)的SCP硬件板系列。并提供每個電源軌的可能替代板列表,這些替代板按輸出電流能力提升的順序來排列。
圖10 : SCP Configurator軟件,圖中產(chǎn)生的解決方案具有五個輸出軌
此外,GUI產(chǎn)生的電源解決方案可以PDF格式欄印。報(bào)告包含同樣的輸出設(shè)計(jì)圖形表示和每個電源軌的電路板建議列表。報(bào)告中增加的內(nèi)容有助于互連電源模塊所需的所有附件列表。報(bào)告還包括將用戶復(fù)位向到相應(yīng)電路板文文件的快捷連結(jié),例如(但不限于)電路板布局設(shè)計(jì)、物料清單(BOM)、可輕松復(fù)制并用于設(shè)計(jì)參考的原理圖。
圖11 : 產(chǎn)生的PDF格式解決方案報(bào)告
工作原理
一旦完成訊號鏈系統(tǒng)的客制化電源架構(gòu),就可以將建構(gòu)模塊拼接來創(chuàng)建硬件測試平臺,并對整個訊號鏈系統(tǒng)進(jìn)行性能評估。為了展示SCP平臺如何簡化訊號鏈電源解決方案的設(shè)計(jì)和評估過程,將使用該平臺來為 AD4020 差分 SAR ADC設(shè)計(jì)電源解決方案。在本例中,SCP平臺將為 CN0513供電,后者是一款使用AD4020的低漂移、高精度數(shù)據(jù)獲取解決方案。
圖12 : CN0513的系統(tǒng)架構(gòu),可用于評估SCP硬件的噪聲性能
SAR ADC需要一個1.8 V電源(VDD)和一個用于輸入/輸出接口(VIO)的數(shù)字電源。VIO電源軌可以處理1.71 V至5.5 V的輸入。在本演示中,VIO輸入電壓設(shè)定為3.3 V??删幊淘鲆鎯x表放大器(PGIA)分別為電源接腳+VS和–VS使用兩個電壓軌。
為了開始使用該平臺,SCP Configurator需要一個輸入電壓要求來為系統(tǒng)產(chǎn)生電源解決方案,因此使用9 V的標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓。
圖13 : SCP Configurator的輸入電壓要求部分
SCP Configurator還使用系統(tǒng)的電壓和電流要求。在本演示中,這些將是1.8 V VDD電源軌、3.3 V VIO電源軌以及PGIA雙電源軌的+5.5 V和–1.0 V。這些輸入的電流要求可以從組件的產(chǎn)品手冊中獲得,如表1所示。
PGIA輸入級使用兩個 ADA4627-1 JFET運(yùn)算放大器,每個最大消耗7.8 mA電流。 因此,最大電流為15.6 mA??紤]到PGIA的其他組件,需要增加一定的電流,導(dǎo)致+VS和–VS軌的最大電流為20 mA。這些將被放入GUI中,以便產(chǎn)生采用SCP平臺硬件的電源解決方案。還有一個復(fù)選框,指示電源軌是否有低噪聲要求。若勾選,將會增加一個LDO穩(wěn)壓器來改善電源軌的噪聲性能。對于本演示,所有電壓軌都有低噪聲要求。
圖14 : SCP Configurator的電源軌要求部分
SCP Configurator產(chǎn)生的電源解決方案如圖15所示。還有一個提示,建議對1.8 V和3.3 V輸出軌僅使用LDO穩(wěn)壓器。這很重要,因?yàn)檫@對于優(yōu)化電源解決方案很有用。其背后的原因是,當(dāng)SCP Configurator產(chǎn)生完整的電源樹時(shí),可以根據(jù)硬件的外形尺寸輕松更改此電源樹。這樣就能更快進(jìn)行對電源解決方案的變更。
圖15 : SCP Configurator根據(jù)圖13和圖14所示要求產(chǎn)生的電源解決方案
圖16 : 建議對電源軌3和4(1.80 V和3.30 V)僅使用LDO穩(wěn)壓器的提示
有兩種方法可以確定對電源噪聲的容限。第一種方法是了解并量化訊號處理負(fù)載對電源噪聲的敏感度1,這很繁瑣且復(fù)雜。第二種方法是一種優(yōu)化且實(shí)用的方法,即運(yùn)行快速系統(tǒng)性能評估,這就要用到SCP硬件平臺的即插即用系統(tǒng)。
為了衡量硬件的性能,我們獲得了CN0513噪聲指針。來自波形產(chǎn)生器的1 kHz正弦波用作評估板的輸入,檢查ADC采樣的正弦波的等效FFT。此過程首先使用板載電源完成,以用于AD4020性能的參考。然后,將SCP平臺作為外部電源連接到評估板。對每個正電源軌檢查三次:使用SCP Configurator的建議,僅使用開關(guān)穩(wěn)壓器板,僅使用LDO板。另一方面,對負(fù)電源軌僅使用默認(rèn)建議進(jìn)行測試,因?yàn)檩敵鲭妷阂蟮陀谪?fù)開關(guān)穩(wěn)壓器板的最小輸出電壓,并且負(fù)LDO穩(wěn)壓器無法連接到輸入正電壓。
圖17 : 使用SCP平臺作為外部電源的CN0513的噪聲測量
這些不同測試展示電源管理IC的不同組合對SAR ADC性能的影響。表2、表3和表4顯示了不同電源軌的ADC噪聲參數(shù)。
表2 正電源軌(+VS = 5.5 V)
參數(shù) | 關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器+ LDO | 僅開關(guān)穩(wěn)壓器 | 僅LDO |
動態(tài)范圍 | 98.165 dB | 98.434 dB | 98.362 dB |
無雜散動態(tài)范圍(SFDR) | 120.26 dB | 120.07 dB | 120.4 dB |
訊號噪聲(SNR) | 97.39 dB | 97.66 dB | 97.59 dB |
總諧波失真(THD) | –119.67 dB | –119.5 dB | –119.76 dB |
訊噪失真比(SINAD) | 97.36 dB | 97.63 dB | 97.56 dB |
表3 AD4020電源軌(VDD = 1.8 V)
參數(shù) | 關(guān)關(guān)穩(wěn)壓器+ LDO | 僅開關(guān)穩(wěn)壓器 | 僅LDO |
動態(tài)范圍 | 98.165 dB | 98.301 dB | 98.347 dB |
SFDR | 120.26 dB | 119.46 dB | 119.55 dB |
SNR | 97.39 dB | 97.53 dB | 97.57 dB |
THD | –119.67 dB | –118.75 dB | –118.97 dB |
SINAD | 97.36 dB | 97.49 dB | 97.54 dB |
表4 數(shù)字電源軌(VIO = 3.3 V)
參數(shù) | 開關(guān)穩(wěn)壓器+ LDO | 僅開關(guān)穩(wěn)壓器 | 僅LDO |
動態(tài)范圍 | 98.165 dB | 98.119 dB | 98.152 dB |
SFDR | 120.26 dB | 120.65 dB | 120.16 dB |
SNR | 97.39 dB | 97.34 dB | 97.38 dB |
THD | –119.67 dB | –120.12 dB | –119.69 dB |
SINAD | 97.36 dB | 97.32 dB | 97.35 dB |
分析
從表2、表3和表4可以看出,SCP硬件板的不同配置之間的噪聲指針相當(dāng)。對于5.5 V正電源軌,僅使用開關(guān)穩(wěn)壓器板或LDO板本身是一種可能的選擇,因?yàn)橐呀?jīng)證明,它相對于同時(shí)使用LDO和開關(guān)穩(wěn)壓器板的配置有所改善。對于1.8 V AD4020電源軌,在三種配置中,僅使用LDO板的配置產(chǎn)生了最高的動態(tài)范圍、SNR、SINAD和最低的THD。
然而SFDR低于開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO板的組合配置。3.3 V數(shù)字電源軌的數(shù)據(jù)顯示,所有配置都可以使用,因?yàn)閷τ诿總€指針,不同配置的測量結(jié)果都非常好。不同電源軌的數(shù)據(jù)是可以相互比擬的,但測量值的這些差異可能會對應(yīng)用性能產(chǎn)生很大影響。
對于使用不同SCP配置的噪聲指針的這些測量,如果使用單獨(dú)的展示板來進(jìn)行將需要更長時(shí)間。電源解決方案為訊號鏈供電,噪聲指針的差異會對訊號鏈產(chǎn)生巨大影響,因此擁有一個能夠減少確定系統(tǒng)最優(yōu)電源解決方案所需時(shí)間和精力的平臺是很有幫助的。當(dāng)考慮噪聲指針時(shí),該平臺的表現(xiàn)也很良好,這可以協(xié)助設(shè)計(jì)人員了解電源解決方案的其他方面,例如效率、成本和解決方案尺寸。
結(jié)論
當(dāng)設(shè)計(jì)和評估電源解決方案時(shí),需要考慮很多因素,而且需要時(shí)間來評估其性能。本文透過測量不同電源軌配置下CN0513的噪聲指針來展示訊號鏈電源(SCP)平臺。如果使用傳統(tǒng)方法,完成這項(xiàng)任務(wù)可能需要大量時(shí)間。SCP硬件評估平臺和SCP Configurator工具 可以消解電源解決方案設(shè)計(jì)和評估中的許多挑戰(zhàn),使具備各種專業(yè)資歷的訊號鏈系統(tǒng)工程師都能從中受益。
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