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)供電會是一項挑戰(zhàn)，因為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，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)電源時所遭遇的挑戰(zhàn)。其目的在指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計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)大量時間，尤其是在優(yōu)化解決方案時。

 
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，用戶可以正確的控制每個電源軌的時序。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。也可以使用電源時序控制器和監(jiān)控器（如 LTC2928）來實現(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，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)計人員可以輕松創(chuàng)建和設(shè)計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現(xiàn)了快速簡便的電源系統(tǒng)優(yōu)化。當(dāng)設(shè)計優(yōu)化完成并準(zhǔn)備好整合到最終設(shè)計中時，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)計經(jīng)驗，設(shè)計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。報告包含同樣的輸出設(shè)計圖形表示和每個電源軌的電路板建議列表。報告中增加的內(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、物料清單（BOM）、可輕松復(fù)制并用于設(shè)計參考的原理圖。


 
圖11 : 產(chǎn)生的PDF格式解決方案報告

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)計和評估過程，將使用該平臺來為 AD4020 差分 SAR ADC設(shè)計電源解決方案。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。可編程增益儀表放大器（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。考慮到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，因為這對于優(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，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，因為輸出電壓要求低于負(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）

表3 AD4020電源軌（VDD = 1.8 V）

表4 數(shù)字電源軌（VIO = 3.3 V）

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，因為已經(jīng)證明，它相對于同時使用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，因為對于每個指針，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，如果使用單獨的展示板來進(jìn)行將需要更長時間。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間和精力的平臺是很有幫助的。當(dāng)考慮噪聲指針時，該平臺的表現(xiàn)也很良好，這可以協(xié)助設(shè)計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)計和評估電源解決方案時，需要考慮很多因素，而且需要時間來評估其性能。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，完成這項任務(wù)可能需要大量時間。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。