適用于低功耗信號鏈應(yīng)用的功率優(yōu)化技術(shù)

本文介紹用于在低功耗信號鏈應(yīng)用中實現(xiàn)優(yōu)化能效比的精密低功耗信號鏈解決方案和技術(shù)。本文將介紹功耗調(diào)節(jié)、功率循環(huán)和占空比等用于進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗的技術(shù)（不僅限于選擇低功耗產(chǎn)品，這有時并不夠）。還將探討如何使用通道時序控制器、FIFO和電壓監(jiān)控模塊等片內(nèi)特性來簡化系統(tǒng)設(shè)計，并在主機(jī)控制器側(cè)和整個系統(tǒng)層面實現(xiàn)節(jié)能。

簡介

對于在幾十年之前的廣告中演奏兔子舞曲的小鼓來說，最執(zhí)著的事情就是能夠持續(xù)不斷地進(jìn)行演奏。在為現(xiàn)場儀器儀表（檢測溫度、壓力或流量）或遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測設(shè)備等應(yīng)用設(shè)計電池供電的測量系統(tǒng)時，低功耗信號鏈至關(guān)重要。甚至對于主電源供電的系統(tǒng)，也需要最大限度降低環(huán)境影響或能源成本，這促使硬件設(shè)計人員不斷改善系統(tǒng)的能效比。低功耗設(shè)計能夠帶來一些間接性的優(yōu)勢，比如，如果能夠減少并聯(lián)的電池的數(shù)量，解決方案的尺寸會隨之減小。低功耗設(shè)計還具有更深層次的優(yōu)勢，因為系統(tǒng)耗費的能量更少，使得IC芯片的溫度也更低。這有助于延長產(chǎn)品的使用壽命。

要在短時間內(nèi)完成低功耗硬件設(shè)計，從精密低功耗信號鏈著手會是一個非常不錯的起點。除了選擇低功耗元件之外，還可以采用多種功率優(yōu)化技術(shù)來進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，例如功耗調(diào)節(jié)、功率循環(huán)和占空比。此外，很多設(shè)計選項，例如選擇合適的電阻值或使用存儲器也是非常重要的因素，關(guān)乎著能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格的低功耗目標(biāo)和優(yōu)化的電池壽命。

例如，找出信號鏈中可以取消的構(gòu)建模塊，或者在達(dá)到某些條件時會暫時斷電的模塊，會有助于我們采用低功耗技術(shù)。這需要精準(zhǔn)的時序分析1, 2，并對電路操作分級或調(diào)節(jié)占空比。如果多個構(gòu)建模塊多數(shù)時間都處于閑置狀態(tài)，即可讓這些模塊進(jìn)入關(guān)斷模式或者直接將它們關(guān)閉。注意，與使用關(guān)斷模式相比，設(shè)備進(jìn)行全功率循環(huán)會對功率和時序產(chǎn)生一些影響。

在正確采用這種時序之后，可以通過盡可能減少微控制器互動來進(jìn)一步改善主系統(tǒng)層級的功耗。這就需要使用外部或內(nèi)部存儲器，以便在主機(jī)控制器被關(guān)斷之后存儲數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)層面應(yīng)用節(jié)能技術(shù)會有一些差異，具體取決于使用哪種類型的ADC來數(shù)字化傳感器信息，包括SAR ADC和∑-? DAC，關(guān)于這一點將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹。此外，硬件設(shè)計選擇，例如數(shù)字通信上拉/下拉電阻、電阻分壓器和增益設(shè)置電阻等也會影響整體的信號鏈功耗。

圖1.SAR ADC信號鏈中的單通道電壓、電流測量。

引腳命名會因設(shè)備而異。為了保持一致性，我們用AVDD表示模擬電源，用VIO表示數(shù)字電源，用VREF表示基準(zhǔn)電壓。

基于SAR ADC的信號鏈的功率優(yōu)化

SAR ADC按要求執(zhí)行轉(zhuǎn)換，也就是說，在確認(rèn)轉(zhuǎn)換開始(CONVERSION START)命令之后，從采樣模式切換到保持模式3。轉(zhuǎn)換流程開始，然后，待該流程完成后，SAR ADC會回到采樣模式，以獲取信號。SAR ADC（例如圖1所示的信號鏈中使用的 AD4001 轉(zhuǎn)換器）在轉(zhuǎn)換階段會消耗大部分功率，而在圖2所示的采集階段則消耗最少功率。所以，盡管吞吐量能高達(dá)幾個MSPS，但還是可以按照應(yīng)用要求的最低速度來運行這些轉(zhuǎn)換器，以大幅優(yōu)化功率。

SAR ADC：隨吞吐量調(diào)節(jié)功率

在許多低功耗應(yīng)用中，無需持續(xù)提供傳感器信息，而是以更低的速度提供，可能是按幾kSPS或幾十kSPS。在這些情況下，可以隨吞吐量降低SAR ADC的功耗，包括模擬電源軌和數(shù)字電源軌。

表1.不同終端應(yīng)用中的通信采樣頻率

大部分精密SAR ADC都內(nèi)置時鐘，用于管理轉(zhuǎn)換流程，因此其轉(zhuǎn)換時間(tCONV)是固定的。在tCONV固定的情況下，吞吐量越低，循環(huán)時間(tCYC)越長，采集時間(tACQ)也就越長，后者就是ADC保持最小功耗的時長。換句話說，吞吐率越低，采集每個樣本所用的功耗也越低。

圖2.SAR ADC時序圖。

圖3.AD4001 SAR ADC時序圖和在一個循環(huán)內(nèi)的功耗。循環(huán)時間越長，平均功耗越低：(a) 1 μs平均功率 = 6.1113 mW，(b) 10 μs平均功率 = 0.93756 mW，(c) 1 ms平均功率 = 0.36845 mW。

圖4.(a) AD4001的功耗調(diào)節(jié)和吞吐量，(b) 相關(guān)頻率范圍（即低于10 kSPS）放大圖的圖示。

數(shù)字信號從外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度受到嚴(yán)格控制。采樣速率越低，導(dǎo)致采樣階段時間變長，因此平均功耗越低。這一點可參見方程1：

其中：

tCONV 為轉(zhuǎn)換時間

tCYC 為采樣速率的倒數(shù)

VDD 為模擬電源

VIO 為數(shù)字電源

nBITS 為ADC的分辨率

tSCLK 為串行時鐘周期時間(1/fSCLK)

VREF 為基準(zhǔn)電壓，IREF為最大吞吐量(max_tput)時的電流

所以，根據(jù)公式1且如圖4所示，如果tCYC延長且tCONV保持不變，ADC平均模擬功耗與采樣速率成反比。

圖1所示的ADC在轉(zhuǎn)換階段的功耗主要來自模擬電源，如圖2所示。例如，在應(yīng)變片檢測電路中，數(shù)據(jù)采集速率可以低至1 kSPS，與按最大采樣速率運行AD4001相比，其功耗可以降低20倍。

表2.AD4001功耗調(diào)節(jié)與吞吐量

公式1（圖示）顯示功率如何隨吞吐量成比例增加，如圖4所示。

降低ADC采樣速率會導(dǎo)致采集時間延長，這會降低ADC驅(qū)動器放大器的帶寬要求，從而擴(kuò)大可選設(shè)備的群集。帶寬更低的放大器一般具有相對更低的靜態(tài)電流。所以，降低ADC采樣速率不僅會降低ADC功耗，還會降低配套使用的放大器的功率要求。

表3.運算放大器帶寬與電流消耗和噪聲性能的關(guān)系；帶寬和功率成正比

但是，選擇帶寬更低的運算放大器也需要作出取舍。更低的帶寬意味著更低的靜態(tài)電流(IQ)，但缺點在于噪聲電壓密度(eN)會增大，如表3所示。根據(jù)經(jīng)驗，降低靜態(tài)電流意味著噪聲密度會按照1/√IQ的比例增大。但是，需要注意的是，調(diào)節(jié)帶寬會過濾均方根噪聲。換句話說，硬件設(shè)計人員可能根據(jù)給定的采樣速率、放大器和RC凈帶寬在功耗（或電池壽命）和均方根噪聲性能之間取舍。

圖5.在多種吞吐量下，每個電源軌（運算放大器、模擬電源軌和數(shù)字電源軌）的電源分布；如表3所示，根據(jù)帶寬需求，使用不同的放大器。

此外，用于設(shè)置運算放大器增益的反饋電阻也會影響功耗：這些電阻越大，它們消耗的功率就越少。但這期間也伴隨著對噪聲的取舍，因為電阻越大，產(chǎn)生的噪聲也越多。正確的設(shè)計做法是，使電阻盡可能大，只要其噪聲貢獻(xiàn)值在總噪聲中可以忽略不計。因為總噪聲等于各個噪聲的和方根，所以，根據(jù)一般經(jīng)驗，可以設(shè)置電阻均方根噪聲的上限為該運算放大器的1/3，使其噪聲貢獻(xiàn)值在總噪聲中的占比低于5%。如此，運算放大器噪聲仍是主要噪聲。

在有些應(yīng)用中，會以低吞吐率（幾kSPS）對低頻率輸入信號采樣，例如表1所示的信號，在這種情況下，如果無需信號調(diào)理（例如增益級或低輸出阻抗），即可移除驅(qū)動器放大器。在更高速度的應(yīng)用中，更新的ADC（例如AD4000或 AD4696 系列）會提供高輸入阻抗（高阻）模式，支持使用更低帶寬（和更低功率）放大器來驅(qū)動模擬輸入，有時甚至能完全取消使用驅(qū)動器。取消這種運算放大器也有助于降低總功耗（其功耗隨之取消），如圖5的藍(lán)色條柱所示。與始終需要使用驅(qū)動器放大器的傳統(tǒng)型SAR ADC相比，這有助于大幅節(jié)省功率。在使用AD4696 16通道器件時，這種功率節(jié)省的比例達(dá)到16倍?；鶞?zhǔn)電壓源高阻模式功能也會降低基準(zhǔn)電壓源輸入電流，使得總系統(tǒng)功耗隨之降低。

SAR ADC信號鏈：AFE動態(tài)功耗調(diào)節(jié)

如前文所述，SAR ADC功耗會隨采樣速率變化，但其他信號鏈元件并不是如此。放大器和基準(zhǔn)電壓在通電之后，消耗恒定的靜態(tài)電流。在采樣ADC樣本期間對這些元件進(jìn)行功率循環(huán)會降低信號鏈的平均功耗。每個電源周期必須等待信號確定，這會限制留給系統(tǒng)開啟和關(guān)閉的時間。有關(guān)詳情，請參閱“低功耗精密信號鏈應(yīng)用最重要的時序因素有哪些？第一部分”和“低功耗精密信號鏈應(yīng)用最重要的時序因素有哪些？第二部分”（但建議對每種具體的信號鏈設(shè)計執(zhí)行精準(zhǔn)分析）。

使用高度集成的ADC，在片內(nèi)集成更多模擬前端(AFE)模塊，可以加快上電和斷電轉(zhuǎn)換的速度，但無損其性能。但是，在許多場景下，為了實現(xiàn)最佳性能，設(shè)計最終可能會使用分立式元件。示例如圖6所示。

此信號鏈為多通道，由一個MAX41400和每通道一個抗混疊濾波器組成，采用ADR3625精密基準(zhǔn)電壓源，將信息饋送給16通道SAR ADC（即AD4696）。

如前文所述，按照可接受的最低吞吐量運行ADC會降低其功耗。此外，如果空閑時間足夠長，可在部分采樣時間期間將MAX41400置于關(guān)斷模式，對于這樣的多路復(fù)用系統(tǒng)，可以一次只開啟（上電）一個放大器。放大器MAX41400開啟（上電）的頻率為tCYC/LSEQ，其中LSEQ為時序長度，在圖7所示的示例中，其數(shù)值為10。例如，如果按照每通道1 kSPS的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換時間最長為415 ns，這表示在每個通道上，MAX41400可在約占循環(huán)時間10%的時間里處于關(guān)斷模式。

圖6.多通道測量信號鏈。

圖7.基于AD4696 ADC，在多通道多路復(fù)用應(yīng)用中對MAX41400進(jìn)行功率循環(huán)（為了便于查看，假設(shè)只有10個通道投入使用）。

在完全上電時，MAX41400的靜態(tài)電流(IQ_ON)為65 μA，在進(jìn)入關(guān)斷模式(IQ_OFF)之后，該電流可以降低至0.1 μA。在采樣之間將其關(guān)斷，放大器消耗的平均電流(IAVG)會隨吞吐量改變。

重申一下，吞吐量越低，tCYC越高，IAVG越低。tON表示放大器保持開啟的時長。當(dāng)ADC從采集階段切換至轉(zhuǎn)換階段，放大器可以進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，因為延長tON時間，使其超過最短時間并不會帶來任何好處。應(yīng)使關(guān)斷時間(tOFF = tCYC – tON)達(dá)到最長，以最大限度降低功耗，但不到需要犧牲SNR或THD的程度。要找到正確的時序，具體取決于應(yīng)用、使用的設(shè)備和吞吐率。事實上，tON和吞吐量可能成反比：吞吐量更低時，導(dǎo)致閑置時間變長，閑置時間更長時，則需要更長的tON時間來喚醒放大器。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，AD4696的典型轉(zhuǎn)換時間為415 ns。這個轉(zhuǎn)換時間，加上在關(guān)斷之后重新給MAX41400上電所需的100 μs，即為最短的tON時間。所以，平均電流消耗為：

與始終使能的放大器相比，MAX41400在關(guān)斷模式下的功耗和快速上電期間的功耗總和要低10倍。

一般來說，除了所示示例在給定吞吐率下計算得出的節(jié)省功率外，所有這些公式都可以如圖9所示，以圖形的方式展示，其規(guī)格則依照數(shù)據(jù)手冊（假設(shè)已使能基準(zhǔn)電壓源和模擬輸入高阻模式）。

圖8.信號鏈功耗與吞吐量的關(guān)系（前端提供和不提供功耗調(diào)節(jié)功能）。

可以采用相同的分析方法來分析電池壽命，與功耗分析相反，需要使用電池容量除以平均電流。

表4.電池容量

在這種情況下，兩者成反比，也就是說，吞吐量越低，電池壽命越長。

圖9.利用功率循環(huán)/調(diào)節(jié)功能延長電池壽命。

任何放大器，即使不像MAX41400一樣支持關(guān)斷模式，都可以如之前所示進(jìn)行功率循環(huán)。也就是說，不是進(jìn)入關(guān)斷模式，而是徹底上電和徹底關(guān)閉。但是，在操作時必須小心。一方面，放大器的喚醒時間將會更長，所以最短tON時間也會更長。另一方面，重復(fù)對解耦電容充電和放電會影響在每個電源周期給它們充電的電流，與關(guān)斷模式相比，會增大整體的功耗。此外，如果傳感器在電源軌未上電的情況下仍然驅(qū)動放大器輸入，在沒有保護(hù)措施的情況下，可能會導(dǎo)致?lián)p壞。

基于SAR ADC的信號鏈：數(shù)字電源功耗調(diào)節(jié)

前文著重介紹降低模擬電源功耗(如果是總功耗的最主要來源時)該如何降低。降低吞吐量也會影響數(shù)字功耗，因為這使得串行時鐘能以更低頻率運行：

公式5指出，我們還可以采用兩個額外的步驟來最大限度降低數(shù)字功耗：

●   使用更低的數(shù)字電源電壓(VIO)

●   最大限度降低串行數(shù)據(jù)輸出線路的走線電容

需要注意的另一點是數(shù)字通信線路中使用的上拉/下拉電阻的值。這些電阻用于確保在數(shù)字輸入/輸出端提供正確的邏輯電平，它們的數(shù)值會影響到系統(tǒng)的總功耗。使用的電阻值過低（也稱為強(qiáng)上拉）可能會導(dǎo)致線路中有大電流通過。因此，應(yīng)避免使用非必要的低電阻值。另一方面，如果電阻過高，泄漏電流導(dǎo)致的壓降會導(dǎo)致錯誤的邏輯電平解譯。此外，壓降會影響傳輸。所以，設(shè)計人員必須在無損電壓電平（取決于數(shù)字電源電壓和泄漏電流）或信號完整性的情況下，使用最高的電阻值。

基于Σ-Δ ADC的信號鏈

在基于Σ-Δ ADC的信號鏈中，之前所述的功耗調(diào)節(jié)概念并不直接適用。這是因為轉(zhuǎn)換不是從外部觸發(fā)的，而是由自由運行的時鐘觸發(fā)的4。所以它們不能作為外部轉(zhuǎn)換開始信號的函數(shù)，以閑置狀態(tài)持續(xù)一定時間。

但是，許多Σ-Δ ADC支持待機(jī)模式，如果ADC無需持續(xù)轉(zhuǎn)換，即可使用這種模式。如前文所述，我們還需要考慮時序問題5，因為在喚醒器件，到器件退出待機(jī)模式的這段時間里，是不能進(jìn)行采樣的。

除了待機(jī)模式外，高度集成的Σ-Δ ADC（例如 AD4130）還提供占空比模式。如此，ADC會自動上電和關(guān)閉，無需在每次循環(huán)時與主機(jī)交互。AD4130提供兩種模式，分別為1/4和1/16，這表示該器件在1/4和1/16的時間里保持激活。與連續(xù)轉(zhuǎn)換模式相比，這會大幅節(jié)省功率，如圖10所示。

表5.AD4130在每種功率模式下的電流消耗

根據(jù)所需的吞吐率，在選擇優(yōu)化功耗的技術(shù)時，可以使用其中一種占空比模式，或者讓器件在一定時間里處于待機(jī)模式。實際上，AD4130的多種工作模式都可能影響ADC的功耗。ACE6中可用的主動功能模型顯示了所選ADC配置的功耗和預(yù)期的電池壽命。

圖10.Ad4130在不同工作模式下的電流消耗：連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、1/4占空比和1/16占空比。

基于Σ-Δ ADC的信號鏈：AFE動態(tài)功耗調(diào)節(jié)，支持占空比

和基于SAR ADC的信號鏈一樣，基于∑-? DAC的信號鏈可以利用占空比，在ADC處于低功耗狀態(tài)（圖10）時將某些模塊置于關(guān)斷狀態(tài)。如此，可以實現(xiàn)與圖9所示類似的AFE功率節(jié)省。

傳感器激勵

完整的解決方案器件（例如AD4130）不止提供核心轉(zhuǎn)換器，還提供內(nèi)部可編程增益放大器，以及傳感器偏置和激勵（可選的電流源和精密基準(zhǔn)電壓）。這種集成意味著易用性、尺寸，以及在不同構(gòu)建模塊之間使用偏置、時序或功率循環(huán)等的優(yōu)化。所以，AD4130本身通過在片內(nèi)集成這些模塊來降低系統(tǒng)的整體功耗。此外，它能夠靈活用在多種不同的平臺中，例如RTD、熱敏電阻或橋接傳感器等等，能夠幫助簡化設(shè)計周期。它還減少了BOM數(shù)量，以及需要使用的電源軌的數(shù)量。

其他功率優(yōu)化技術(shù)

本文介紹了多種最大限度降低信號鏈功耗的方法。但是，信號鏈還有一個部分需要考慮，即主機(jī)控制器。如果控制器因為需要讀取和后處理來自ADC的數(shù)據(jù)而始終保持上電，那么它會消耗很多功率。在控制器未使用時，將其置于睡眠模式將有助于額外節(jié)省功率。

帶片內(nèi)FIFO的ADC

如果應(yīng)用無需實時數(shù)據(jù)，但必須以更低的速率讀取數(shù)據(jù)點，那么帶片內(nèi)FIFO的ADC應(yīng)能派上用場。AD4130集成了這種模塊，該FIFO能夠存儲多達(dá)256次轉(zhuǎn)換，所以，如果輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)（例如）為2.4 kSPS，該微控制器無需每隔416 μs讀取一次，而是可以進(jìn)入睡眠模式，每隔100 ms喚醒，一次性讀取整個存儲器的數(shù)據(jù)（參見圖11的數(shù)據(jù)傳輸部分）。換言之，如果ADC的存儲器能存儲最新的256個樣本，也能使微控制器進(jìn)行功率循環(huán)，從而大幅降低系統(tǒng)的總功耗。

圖11.利用ADC的片內(nèi)FIFO降低微控制器的功耗。

通過直接存儲訪問(DMA)將ADC數(shù)據(jù)流傳輸至存儲器

對于不包含片內(nèi)FIFO的ADC，可以轉(zhuǎn)而使用大部分微控制器都包含的直接存儲訪問(DMA)。DMA能將數(shù)據(jù)直接從外設(shè)（在本例中為SPI）傳輸至存儲器(SRAM)，不存在因為每次接收ADC樣本而造成CPU干預(yù)或中斷。選擇的微控制器會直接影響到可以實現(xiàn)的功率節(jié)省。在許多情況下，微控制器在大部分時間里都能保持處于睡眠模式，只有在接收到ADC樣本時才觸發(fā)事件。此事件會簡單提醒DMA開始執(zhí)行SPI事務(wù)，之后再回到睡眠狀態(tài)，相比CPU在整個SPI事務(wù)執(zhí)行期間保持完全喚醒，這會使微控制器的功耗達(dá)到最低。注意，只有在ADC數(shù)據(jù)的格式與目標(biāo)存儲器一致時，才能使用DMA。也就是說，對于大部分微控制器，只有當(dāng)ADC數(shù)據(jù)為16位或32位時，才能輕松使用DMA。

中斷驅(qū)動編程

許多低功耗應(yīng)用不要求記錄和處理每個數(shù)據(jù)點，但需要監(jiān)控檢測的幅度是否位于特定的閾值之內(nèi)。以前，為了進(jìn)行監(jiān)測，主機(jī)控制器需要始終保持喚醒，以讀取每個ADC樣本，確定其值是否正常，并且據(jù)此觸發(fā)中斷例程。

AD4696 (SAR ADC)和AD4130 (Σ-Δ ADC)都集成了這些閾值檢測功能。閾值可以編入程序，使得GPIO引腳只在ADC輸出代碼超出用戶定義的范圍時進(jìn)行認(rèn)定。如此，主機(jī)控制器大部分時間都可以處于睡眠模式，只在GPIO認(rèn)定時喚醒，這意味著，它只在需要執(zhí)行操作時才保持活躍，因此能夠最大限度降低功耗。

結(jié)論

在為 便攜式現(xiàn)場儀器儀表、狀態(tài)監(jiān)控或 生命體征測量 (VSM)等應(yīng)用設(shè)計電池供電的測量系統(tǒng)時，可以使用 analog.com/precisionlowpower 所示的低功耗信號鏈來實現(xiàn)功率優(yōu)化型解決方案。ADI的精密低功耗信號鏈幫助設(shè)計人員簡化了構(gòu)建低功耗測量解決方案的過程，該解決方案將精密放大器、基準(zhǔn)電壓、ADC和隔離產(chǎn)品優(yōu)化組合在一起。在這些信號鏈中，功耗得到優(yōu)化，同時兼顧噪聲性能、尺寸、易用性這些重要指標(biāo)。這些信號鏈提供不同配置：單通道、分立式多通道（多路復(fù)用）、完全集成的多通道解決方案和隨時可用的功率優(yōu)化設(shè)計，對于低功耗設(shè)計來說是非常不錯的起點。

除了展示ADI的精密低功耗信號鏈之外，本文還展示多種提高信號鏈的能效比的系統(tǒng)級技術(shù)。這些技術(shù)包括功耗調(diào)節(jié)、功率循環(huán)、占空比，或使用FIFO這類片內(nèi)功能，或者閾值檢測這類中斷驅(qū)動功能。

參考電路

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來源：Lluis Beltran Gil，ADI