动态功耗调节介绍 聚焦ADC驱动器放大器

在今天的数据采集系统（DAQ）中，需要不断突破性能极限。系统设计人员需要更高的速度、更低的噪声和更优的总谐波失真（THD）性能，所有这些都有可能实现，但却并非免费。实现这些性能改进通常需要更大的工作电流，而更大的工作电流则会产生更高的功耗。但是，在许多应用中，功耗敏感性也越来越受关注。原因有很多种。可能是由于应用是一种利用纽扣电池进行工作的远程系统，其主要关注点是电池寿命。也可能是由于应用是一种多通道系统，其通道数较多、电路密度较高，会造成热量集中，从而产生由温度引起的漂移问题。无论何种情况，最大限度降低电流消耗和功耗都是重中之重。系统设计人员必须权衡更高性能和更低功耗带来的竞争优势。解决此问题的一种途径是借助一个称为动态功耗调节（DPS）的过程。

简单而言，DPS就是一个在需要时启用电子元件、在不需要时禁用电子元件的动态过程。图1所示为一个典型的基于SAR型ADC的数据采集子系统。SAR型ADC的一个主要属性是其功耗随吞吐速率而变化，这使其非常适合功耗敏感型应用。以往，ADC驱动器和基准电压源缓冲器不能与SAR一样享有自动功耗调节功能。它们通常会在系统运行时上电并启用，这样会消耗过多的电能。假设启用时间足够短，便可以动态方式驱动放大器关断引脚，从而禁用ADC转换之间的放大器。这就是动态功耗调节。通过对放大器运用DPS，可大幅降低其平均电流消耗。借助DPS，放大器静态电流随关断引脚正在被驱动的负载周期而变化。理论平均静态电流可由下式得出

其中：

IAVG为平均DPS静态电流

IQ_ON为已启用的放大器的静态电流

IQ_OFF为已禁用的放大器的静态电流

tON 为启用放大器的时间

tS为采样频率周期

图1. 基于SAR型ADC的数据采集子系统的框图

本文的其余部分将聚焦于ADC驱动器放大器，但DPS概念也可运用至基准电压源缓冲器，而且得到的结果类似。

图2显示了ADC驱动器放大器在一直启用时的理论效率提升。fR处的竖直基准线代表ADC功耗等于一直启用的驱动器放大器的功耗时的采样频率。采样速率较低时，放大器的功耗占主导，采样速率较高时，ADC的功耗占主导。基准频率（fR）将随放大器和选定ADC的功耗而变化，但基本概念依然相同。进行功耗调节的同一放大器的相对效率提升以三种不同的tON值显示。不出所料，采样速率给定时，更小的tON会产生更高的效率，并且能够以更高的采样速率运用DPS。阴影区域表明，逐渐减小tON产生的最大提升区域一般会延伸至约10个fR以下。由于采样速率会继续降至此点以下，因此可实现最大的整体功耗节约，但进一步减小tON带来的优势可以忽略不计，因为功耗逐渐接近关断或禁用状态的功耗。

图2. 在选定tON （与一直启用的放大器相关）时进行DPS的理论放大器功耗