功耗是設計人員選擇高速數據轉換器的最重要的系統(tǒng)設計參數之一。無論是在需要更長電池壽命的便攜式設計中，還是對于耗散較少熱能的小型產品，功耗都至關重要。系統(tǒng)設計人員傳統(tǒng)上從低噪聲線性穩(wěn)壓器(例如低壓差穩(wěn)壓器)而不是開關穩(wěn)壓器為數據轉換器供電，因為他們擔心開關噪聲會進入轉換器的輸出頻譜并顯著降低交流性能。

然而，用于手機的新一代噪聲優(yōu)化開關穩(wěn)壓器可最大限度地減少對附近低噪聲和功率放大器的干擾，從而在實踐中做出改變。它們使高速數據轉換器能夠直接由 DC/DC 轉換器供電，而不會顯著降低交流性能。此設計可立即將電源效率提高 20% 至 50%。

與前幾代相比，現(xiàn)代高速轉換器的功耗降低了約 50%，部分原因是將電源電壓從 3.3V 降低到 1.8V。在基于低壓差穩(wěn)壓器的設計中，隨著電源軌的降低，穩(wěn)壓器的壓差和可用電源軌對于電源效率變得更加關鍵。在電路板的數字部分，許多電壓軌通常為 FPGA 和處理器的各種內核和 I/O 電壓提供服務。然而，在模擬部分，可能只有少數“干凈”選項可用，例如 3.3 和 5V。

對于高速數據轉換器，您可以使用線性穩(wěn)壓器從通用 5Vrail 生成 3.3V 電源。低壓差穩(wěn)壓器中 1.7V 的壓降相當于大約 35% 的功率損耗。當使用低壓降穩(wěn)壓器從 3.3V 總線為 ADC(例如 ADS4149)提供 1.8V 電源時，線性穩(wěn)壓器的功率損耗增加到大約 45%，這意味著幾乎一半的功率消耗在低壓差穩(wěn)壓器。這個例子說明了低效電源設計是多么容易失去 50% 的功率降低。開關穩(wěn)壓器的效率完全獨立于輸入電源軌，因此可以顯著節(jié)省功耗。通過精心設計，您可以最大限度地減少對交流性能的影響。

電源濾波

將開關噪聲與 ADC 隔離的關鍵組件是電源濾波器，它由鐵氧體磁珠和旁路電容器組成。選擇鐵氧體磁珠時應考慮幾個關鍵特性。首先，鐵氧體磁珠必須為數據轉換器提供足夠的額定電流，并且它必須具有低 DCR(直流電阻)以最大限度地減少磁珠本身的電壓降。例如，通過 DCR 為 1Ω 的磁珠的 200 mA 電源電流會導致電源電壓下降 200 mV。當您考慮標準電源電壓變化時，這種壓降可能會將 ADC 的電壓推至接近邊緣甚至低于推薦的工作條件。

其次，鐵氧體磁珠必須在 dc/dc 轉換器的開關頻率和諧波下具有高阻抗，以阻止開關噪聲和開關雜散。大多數可用的鐵氧體磁珠具有 100 MHz 的阻抗，而現(xiàn)代 DC/DC 轉換器的開關頻率通常為 500 kHz 至 6 MHz。在我們的示例中，ADS4149 評估模塊使用開關頻率為 2.25 MHz 的 TPS625290 開關穩(wěn)壓器。由于 DC/DC 穩(wěn)壓器具有方波輸出，因此您還必須考慮高次諧波。Murata 的 NFM31PC276B0J3EMI 濾波器在該頻率范圍內提供高阻抗和低 DCR。

比較了電阻為 68Ω 的傳統(tǒng)鐵氧體磁珠在 100 MHz 與 MurataEMI 濾波器的插入損耗。電源電路具有低阻抗，插入損耗是在 50Ω 環(huán)境中測量的。因此，電源濾波器的插入損耗幅度可能會略有不同，盡管諧振頻率不會改變。

電源濾波器的其他組件是旁路電容器。您應該選擇這些電容器的值，以使它們產生低阻抗接地路徑的諧振頻率接近開關頻率。因此，通過磁珠的開關噪聲對地短路。電源濾波器的插入損耗比較 表明，適當的旁路電容值會產生接近開關頻率的諧振，即使將其與 EXCML32A680 等傳統(tǒng)鐵氧體磁珠結合使用也是如此。但是，在低頻時，它如果用 0Ω 電阻器代替，差別不大。另一方面，村田 EMI 濾波器在開關頻率附近提供大約 20dB 的額外衰減。電源濾波器 使用 33μF 鉭電容器進行寬頻去耦，而 10μF、2.2μF 和 0.1μF 陶瓷電容器的諧振頻率較窄。

交流性能

根據數據轉換器的 PSRR，電源軌上的一定量噪聲仍會進入 ADC 并降低其交流性能。 SNR 和 SFDR(無雜散動態(tài)范圍)掃描比較了 基準電源，例如 1.8V、干凈的實驗室電源、低壓差穩(wěn)壓器和具有不同電源濾波器選項的 DC/DC 轉換器ADS4149 評估模塊。

測試結果表明，與在 300 MHz 中頻下的低噪聲低壓差穩(wěn)壓器相比，由開關穩(wěn)壓器供電時，SNR 性能下降約 0.3 dB。設置之間的 SFDR 性能也幾乎相同。仔細觀察歸一化 FFT 圖，該圖從輸入信號開始，繪制噪聲與偏移頻率的關系圖，顯示使用次優(yōu) EXC 鐵氧體磁珠時奈奎斯特區(qū)的本底噪聲略有升高，但沒有任何開關頻率饋通的證據。

電源效率

使用 dc/dc 轉換器而不是線性穩(wěn)壓器的主要優(yōu)點是節(jié)能。在 ADS4149 評估模塊的所有實驗中，一個外部 3.3V 電源(一個公共模擬電源軌)為低壓差和開關穩(wěn)壓器供電。測得的功率效率及其各自的靜態(tài)電流。該比較表明，低壓差穩(wěn)壓器消耗的功率幾乎與 ADC 一樣多。開關穩(wěn)壓器的功耗僅比理想方法多 32 mW，實現(xiàn)了高效的電源設計。您可以通過降低輸入電壓(首先從 3.3V 到例如 2.5 或 2.2V)進一步提高低壓差穩(wěn)壓器的效率，但代價是增加了系統(tǒng)成本和尺寸。

盡管具有比低壓差設計更多的外部組件，但 DC/DC 轉換器設計的總體占位面積可能更小，因為較新的 DC/DC 轉換器具有更高的開關頻率，從而大大減小了電感器的尺寸，例如，對于 2.25 μH，大約為 2.2μH MHz 而不是 500 kHz 的 33 μH。

相反，線性穩(wěn)壓器可能需要較少的電源濾波，但它們也有尺寸限制，因為它們通常會消耗更多功率。從成本的角度來看，由于元件數量更多，開關穩(wěn)壓器可能會稍微貴一些。盡管如此，提高效率可以節(jié)省散熱技術和系統(tǒng)功率預算的成本。

隨著系統(tǒng)設計人員尋求更節(jié)能的組件，將高速數據轉換器設計中的電源架構更改為開關穩(wěn)壓器可以大大節(jié)省功耗。您可以直接從開關穩(wěn)壓器為低功耗、高速數據轉換器供電，而不會顯著降低其交流性能。