开关稳压器和ADC之间一些低噪设计

系统设计人员正面临越来越多的挑战，他们需要在不降低系统组件（例如：高速 数据转换器）性能的情况下让其设计最大程度地节能。设计人员们可能会转而采 用许多电池供电的应用（例如：某种手持终端、软件无线设备或便携式超声波扫 描仪），也可能会缩小产品的外形尺寸，从而需要寻求减少发热的诸多方法。 极大降低系统功耗的一种方法是对高速数据转换器的电源进行优化。数据转换器 设计和工艺技术的一些最新进展，让许多新型 ADC 可以直接由开关电源来驱 动，从而达到最大化功效的目的。 系统设计人员们习惯在开关稳压器和 ADC 之间使用一些低噪、低压降稳压器 (LDO)，以清除输出噪声和开关频率谐波（请参见图 1）。但是，这种干净的电 源设计的代价是高功耗，因为 LDO 要求压降余量来维持正常的运行。最低压降 一般为 200 到 500mV，但在一些系统中其可以高达 1 到 2V（例如，ADC 的3.3-V 电压轨产生自一个使用 LDO 的 5V 开关电源时）。 图 1 从传统电源转到最大功效电源

就一个要求 3.3-V 电压轨的数据转换 器而言 ，300mV 的 LDO 压降增加约10% 的 ADC 功耗。这种效应在数据转换器中得到放大，因为它具有更小的工艺节点和更低的电源电压。例如，1.8V 时，相同 300-mV 压降增加约 17%（300mV/1.8 V）的 ADC 功耗。因此，将该链的低噪声 LDO 去除可以产生巨大的节能效果。去除 LDO 还可以降低设计的板级空间、热量以及成本。 本文阐述了包括超高性能 16 位 ADC 在内的一些 TI 高速 ADC 可在 ADC 性能无明显降低的条件下直接通过开关稳压器驱动。为了阐述的方便，我们对两 款不同的数据转换器（一款使用高性能 BiCOM 技术（TI 的 ADS5483），另 一款使用低功耗 CMOS 技术（TI 的 ADS6148）进行了开关电源噪声敏感性研 究。本文的其他部分对所得结果进行了一一介绍。 BiCOM 技术—ADS5483 这种工艺技术实现了宽输入频率范围下的高信噪比 (SNR) 和高无杂散动态范围 (SFDR)。BiCOM 转换器一般还具有许多片上去耦电容和非常不错的电源抑制比 (PSRR)。我们对 ADS5483 评估板 (ADS5483EVM) 进行了电源研究，其具有一个使用 TI TPS5420 开关稳压器 (Sw_Reg) 的板上电源；一个低噪声LDO（TI 的 TPS79501）；以及一个外部实验室电源使用选项。我们使用图 2 所示不同结构实施了 5 次实验，旨在确定 ADS5483 通过一个开关稳压器直接运行时出现的性能降低情况。由于 ADS5483 模拟 5-V 电源到目前为止表现出对电源噪声的最大敏感性，因此该研究忽略了 3.3-V 电源的噪声。ADS5483 产品说明书中列出的 PSRR 支持这种情况：两个 3.3-V 电源的 PSRR 至少高出5-V 模拟电源 20 dB。 图 2 使用 ADS5483EVM 的 5 次实验电源结构

5 次实验的结构变化配置如下： 实验 1—一个 5-V 实验室电源直接连接到 5-V 模拟输入，同时绕过开关稳压器(TPS5420) 和低噪声 LDO (TPS79501)。使用一个板上 LDO（TI 的 TPS79633）生成 ADS5483 低敏感度 3.3-V 模拟及数字电源的 3.3-V 电压轨。 实验 2—将一个 10-V 实验室电源连接到 TPS5420 降压稳压器，其使用一个5.3-V 输出。这样可为 TPS79501 提供一个 300-mV 压降，从而生成一个 5-V电压轨。 实验 3—使用 TPS5420，从 10-V 实验室电源生成一个 5-V 电压轨。本实验中， 我们绕过了 TPS79501 低噪声 LDO。图 3a 表明，如“实验 2”连接的 LDO 较 好地减少了开关稳压器的 5.3-V 输出峰值电压。但是，图 3b 表明 5-VVDDA 电压轨铁氧体磁珠之后输出没有巨大的差异。 图 3 实验 2（使用 LDO）和实验 3（无 LDO）的示波器截图对比

实验 4—本实验配置方法与“实验 3”相同，但去除了 TPS5420 输出的 RC 缓 冲器电路，其会引起高振铃和大开关频率杂散。我们可在图 4 中清楚的观察到 RC 缓冲器电路的影响。去除 LDO 并没有在铁 氧体磁珠之后表现出明显的差异，而去除 RC 缓冲器电路则会导致更大的清洁5-VVDDA 电压轨电压峰值进入 ADC。我们将在稍后详细研究 RC 缓冲器电路的 影响。 图 4 5-VVDDA 电压轨的电源噪声

实验 5—将一个 8-Ω 功率电阻连接到 5-V 电源，模拟如现场可编程门阵列 (FPGA) 等额外负载。TPS5420 必须提供更高的输出电流，并更努力地驱动其内 部开关，从而产生更大的输出杂散。通过重复进行“实验 2”、“实验 3”和“实 验 4”可以测试这种配置。 测量结果 我们利用输入信号频率扫描对比了 5 个实验。先使用 135 MSPS 采样速率然后 使用 80 MSPS 采样速率对三个 ADS5483EVM 实施了这种实验，均没有观察到 巨大的性能差异。在使用 135-MSPS 采样速率情况下，SNR 和 SFDR 的频率扫描如图 5 所示。 在 10 到 130MHz 输入频率下 SNR 的最大变化约为 0.1dB。SFDR 结果也非 常接近；在某些输入频率（例如：80MHz）下，可以观测到下降 1 至 2 dB。 图 5 10 到 130MHz 输入频率扫描

5 个实验的 FFT 曲线图对比（请参见图 6）显示噪声底限或杂散振幅没有出现 较大的增加。使用 LDO 清除开关噪声使得输出频谱看起来几乎与干净 5-V 实 验室电源完全一样。去除 LDO 以后，我们观测到从开关稳压器产生了两个杂散， 其具有一个来自 10-MHz 输入音调的约 500 kHz 频率偏置。RC 缓冲器电路降 低这些杂散振幅 约 3dB，从约 –108 dBc 降到了约 –111 dBc。这一值低于 ADS5483 的平均杂散振幅，其表明 ADS5483 可以在不牺牲 SNR 或 SFDR 性 能的情况下直接由一个开关稳压器来驱动。 图 6 500-kHz 偏置杂散 65k-点 FFT 图

RC 缓冲器 降压稳压器输出能够以相当高的开关速度对非常大的电压实施开关操作。本文 中，将 TPS5420 的输入电压轨设定为 10V，我们可以在输出端观测到许多过冲 和振铃，如图 7a 所示。为了吸收一些电源电路电抗能量，我们将 RC 缓冲电 路添加到了 TPS5420 的输出（请参见图 7b）。该电路提供了一个高频接地通路， 其对过冲起到了一些阻滞作用。图 7a 表明 RC 缓冲器降低过冲约 50%，并且 几乎完全消除了振铃。我选用了 R = 2.2Ω 和 C = 470 pF 的元件值。稳压器的 开关频率范围可以为 500kHz 到约 6MHz，具体取决于制造厂商，因此可能需 要我们对 R 和 C 值进行调节。这种解决方案的代价是带来一些额外的分流电 阻 AC 功耗（尽管电阻非常的小），其降低稳压器总功效不足 1%。 图 7 TPS5420 开关稳压器

我们将 10MHz 输入信号标准化 FFT 图绘制出来，以对比“实验 1”到“实验4”（请参见图 8）。TPS5420 的杂散在约 500kHz 偏置时清晰可见。缓冲器降低杂散振幅约 3dB，而低噪声 LDO 则完全消除了杂散。需要注意的是，RC 缓冲器（无 LDO）的杂散振幅约为 -112dBc，远低于 ADS5483 平均杂散振幅，因此 SFDR 性能并未降低。 图 8“实验 1”到“实验 4”的标准 FFT 图

在“实验 5”中，我们将一个 8-Ω 功率电阻添加到 5-VVDDA 电压轨，旨在模拟 电源的重负载。标准化 FFT 图（请参见图 9）并未显示出很多不同。去除 RC 缓 冲器以后，杂散增加约 4.5dB；其仍然远低于平均杂散振幅。 图 9 添加 8-Ω 负载的标准化 FFT 图

CMOS 技术—ADS6148 当关注如何在保持较佳 SNR 和 SFDR 性能的同时尽可能地降低功耗时，我们 一般利用 CMOS 技术来开发高速数据转换器。但是，CMOS 转换器的 PSRR 一般并不如 BiCOM ADC 的好。ADS6148 产品说明书列出了 25 dB 的 PSRR， 而在模拟输入电源轨上 ADS5483 的 PSRR 则为 60dB。 ADS6148EVM 使用一种板上电源，其由一个开关稳压器 (TPS5420) 和一个低 噪声、5-V 输出 LDO (TPS79501) 组成，后面是一些 3.3-V 和 1.8-V 电源轨的 低噪声 LDO（请参见图 10）。与使用 ADS5483EVM 的 5 个实验类似，我们 使用 ADS6148EVM 进行了下面另外 5 个实验，其注意力只集中在 3.3-VVDDA 电 压 轨 的 噪 声 上 面 。 1.8-VDVDD 电 压 轨 外 置 TPS5420 实 验 表 明 对 SNR 和 SFDR 性能没有什么大的影响。 图 10 使用 ADS6148EVM 的 5 个实验电源结构

实验 6—将一个 5-V 实验室电源连接到两个低噪声 LDO（一个使用 3.3-V 输 出，另一个使用 1.8-V 输出）的输入。LDO 并未给实验室电源带来任何有影响 的噪声。 实验 7—将一个 10-V 实验室电源连 接到 TPS5420 降压稳压器，其与 一个5.3-V 输出连接，像“实验 2”连接 ADS5483 一样。TPS79501 生成了一个过滤后的 5.0-V 电压轨，其向 3.3-V 输出和 1.8-V 输出 LDO 提供输入，如图 10所示。 实验 8—所有 3.3-VVDDA 电压轨 LDO 均被绕过。TPS5420 配置为一个 3.3-V 输出，该输出直接连接到 3.3-VVDDA 电压轨。TPS79601 生成 1.8-VDVDD 电压轨， 并通过一个外部 5-V 实验室电源供电。 实验 9—该实验配置方法与“实验 8”相同，但去除了 TPS5420 输出的 RC 缓 冲器电路。 实验 10—一个 4-Ω 功率电阻连接到 TPS5420 的 3.3-V 输出。这样做可极大地 增加 TPS5420 的输出电流，从而模拟一个附加负载。另外，像“实验 5”的ADS5483 一样，它带来了更高的开关杂散和更多的振铃。 图 11 显示了“实验 7”、“实验 8”和“实验 9”产生的一些 3.3-VVDDA 输出波 形。有或无 LDO 的峰值电压振幅存在一些差异，但 RC 缓冲器可降低 60% 的 峰值噪声。 图 11 铁氧体磁珠后测得 3.3-VVDDA 电压轨实验示波器截图对比

测量结果 利用输入信号频率扫描，通过对比“实验 6”到“实验 10”，我们可以研究ADS6148 对电源噪声的敏感性。先使用 135 MSPS 然后使用 210 MSPS 的采样速率 (fs) 对三个 ADS6148EVM 进行数次实验。我们没有探测到有较大的性能差异。 使用 135-MSPS 采样速率，SNR 和 SFDR 的频率扫描如图 12 所示。高达300MHz 输入频率下 SNR 的最大变化为 0.1 到 0.2dB。但是，一旦移除了 RC缓冲器电路，噪声便极大增加，从而降低 SNR 约 0.5 到 1dB。图 12b 显示了 5 次 ADS6148 实验输入频率的 SFDR 变化。我们没有观测到 较大的性能降低。 图 12 10 到 300MHz 的输入频率扫描

对比图 13 所示 FFT 图，我们知道了无 RC 缓冲器 SNR 稍微减少的原因。去 除 RC 缓冲器电路后，在 ADS6148 输出能谱中，我们可以看到分布间隔约为500kHz（TPS5420 开关频率）的众多小杂散，如图 13 所示。相比 ADS5483， 这些小杂散更占主导，并且因为 ADS6148 的固有低 PSRR SNR 大大降低。但 是，图 13 所示 FFT 图还表明添加的 RC 缓冲器电路较好地弥补了这一不足。 图 13 大批杂散的 65k 点 FFT 图

图 14 所示标准化 FFT 图表明开关稳压器的杂散高出 ADC 平均噪声层约 5 到 6dB。其非常低，以至于其对 SFDR 减少无法产生影响，但却明显地影响了 ADC 的 SNR。 图 14 标准化 FFT 图表明使用 RC 缓冲器的好处