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          為精密 ADC 供電:平均電流與瞬態(tài)電流

          作者: 時間:2025-01-08 來源:德州儀器 收藏

          本期,為大家?guī)淼氖恰稙榫? 供電:平均電流與》,目的是探討  需求,討論可提供平均電流和的多種電源配置并比較各種斷電方法的效果。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202501/466107.htm

          引言

          了解模數(shù)轉(zhuǎn)換器 () 數(shù)據(jù)表電源參數(shù)可以幫助您設(shè)計更可靠的精密數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 系統(tǒng)。具體來說,務(wù)必要了解 ADC 數(shù)據(jù)表中的電流消耗是在穩(wěn)態(tài)工作條件下指定的平均值。因此,雖然 ADC 瞬態(tài)電流可能比指定的 ADC 電流大幾個數(shù)量級,但這些測量的電流值并不能表征瞬態(tài)電流需求。在不同的 ADC 工作模式之間轉(zhuǎn)換時,可能會出現(xiàn)瞬態(tài)電流,并且瞬態(tài)電流在最初為器件供電時最為顯著。此外,ADC 周圍的電路和元件會導(dǎo)致額外的瞬態(tài)電流需求。

          本文深入探討了 ADC 瞬態(tài)電流需求這一主題,首先介紹了典型 ADC 數(shù)據(jù)表如何指定電流,然后分享幾個測試的結(jié)果,這些測試量化了不同工作條件下的瞬態(tài)電流需求。本文討論了可提供平均電流和瞬態(tài)電流的多種電源配置,最后比較了各種斷電方法的效果。

          電源規(guī)格

          ADC 數(shù)據(jù)表中的電流消耗是在穩(wěn)態(tài)工作條件下指定的平均值。具有多種不同工作條件的 ADC 需要指定多個電流值。這些條件可能包括 ADC 平均電源電流,該電流會相對于數(shù)據(jù)速率進行調(diào)節(jié),或者在啟用可編程增益放大器 (PGA) 或電壓基準 (VREF) 等內(nèi)部功能時電流需求會增加。例如,表 1 顯示了 TI ADS1261 在不同工作條件下的數(shù)據(jù)表電源規(guī)格,其中 ADS1261 是一款集成 PGA 和 VREF 的 24 位、40kSPS、11 通道 Δ-Σ ADC。

          表 1. ADS1261 的數(shù)據(jù)表電源規(guī)格。

          表 1 中突出顯示的 PGA 旁路部分顯示了 ADS1261 在 PGA 旁路的情況下正常運行期間消耗的平均模擬電流為 2.7mA(典型值)或 4.5mA(最大值)。突出顯示的“按功能”部分表示啟用每個功能時電流增加了多少。所有這些電源電流規(guī)格都是通過在電流穩(wěn)定后測量器件消耗的平均電流來表征的。

          因此,數(shù)據(jù)表電源規(guī)格對器件或支持電路在正常運行期間所需的任何瞬態(tài)電流需求取平均值。這很重要,因為啟動和開關(guān)期間的瞬態(tài)電流可能明顯大于數(shù)據(jù)表中指定的值。可靠的系統(tǒng)設(shè)計必須能夠應(yīng)對平均和瞬態(tài)電流需求。

          瞬態(tài)電流

          瞬態(tài)電流方面的一個挑戰(zhàn)是,由于 ADC 的工作條件和周圍電路不同,瞬態(tài)電流的幅度和持續(xù)時間可能會有很大差異。因此,ADC 數(shù)據(jù)表很少指定瞬態(tài)電流。然而,通過使用示波器探測與電源走線串聯(lián)的小電阻,可以測量給定系統(tǒng)配置下的瞬態(tài)電流。然后,您可以使用歐姆定律來確定產(chǎn)生的電流。

          ADS1261 具有一個評估模塊 (EVM),該模塊在電源輸出和 ADC AVDD 引腳之間集成了一個小阻值電阻。圖 1 展示了包含 10Ω 測量電阻器 (R33) 的相關(guān)部分 EVM 原理圖。通過測量該電阻器上的平均或瞬態(tài)壓降,然后除以 10Ω,便可分別計算出 ADS1261 汲取的平均或瞬態(tài)電流。本文在各種條件下執(zhí)行多項測試以便更好地了解此 ADC 的瞬態(tài)電流行為。

          圖 1. 使用 ADS1261 EVM 的瞬態(tài)電流測試電路。

          第一個瞬態(tài)電流測試是上電測試,其中在 AVDD 和接地端之間安裝了推薦的 10μF (C23) 和 0.1μF (C24) 去耦電容器。圖 2 顯示了這些條件下的 ADS1261 瞬態(tài)電流。

          圖 2. 安裝去耦電容器后上電時測得的瞬態(tài)電流。

          根據(jù)表 1 中的 ADS1261 電源規(guī)格,PGA 禁用時的平均電流為 2.7mA(典型值)或 4.5mA(最大值)。然而,圖 2 中的藍色箭頭指向 ADS1261 最初加電時出現(xiàn)的 250mA 瞬態(tài)尖峰。此瞬態(tài)是數(shù)據(jù)表中規(guī)定的典型電流的 90 倍以上、最大電流的 55 倍以上。當 ADC 發(fā)生任何狀態(tài)變化時,也可能會出現(xiàn)類似的電流尖峰。

          圖 2 中的綠色箭頭指示為去耦電容器充電所需的第二個瞬態(tài)電流。在正常工作條件下,去耦電容器會存儲補充電荷,以便在發(fā)生瞬變時提供額外電流。這種額外的電荷有助于保持穩(wěn)定的電源電壓,從而使 ADC 操作不受影響。但是,當系統(tǒng)上電時,電容器必須從未充電狀態(tài)充電至電源電壓。未加電的電容器在系統(tǒng)上電瞬間的行為類似于短路,從而會導(dǎo)致大浪涌電流。浪涌電流的幅度隨著去耦電容器值的增加而增大。

          為了僅測量 ADC 所需的瞬態(tài)電流,第二個瞬態(tài)電流測試移除了圖 1 中 AVDD 與接地端之間推薦的 10μF 和 0.1μF 去耦電容器。圖 3 顯示了這些條件下的 ADS1261 瞬態(tài)電流。

          圖 3. 在移除去耦電容器的情況下上電時測得的瞬態(tài)電流。

          圖 1 中的 45mA 瞬態(tài)尖峰僅表示 ADC 因開關(guān)而需要的上電電流。正如預(yù)期的那樣,與在安裝去耦電容器的情況下會出現(xiàn) 250mA 尖峰相比,僅 ADC 時的瞬態(tài)電流會更小。不過,雖然這樣會降低瞬態(tài)電流的幅度,但代價是 ADC 達到穩(wěn)態(tài)電流所需的時間明顯延長,因為電容器不再提供任何補充電荷。此外,這個 45mA 的瞬態(tài)電流仍是表 1 中所列最大 ADC 電流規(guī)格 (4.5mA) 的 10 倍。

          本文執(zhí)行了第三組測試以驗證不同的功能也會導(dǎo)致瞬態(tài)電流尖峰。啟用 ADS1261 VREF 就是這種會產(chǎn)生尖峰的功能。圖 4 顯示了此瞬態(tài)電流的觀察行為。

          圖 4. 在啟用 ADS1261 VREF 時測得的瞬態(tài)電流。

          根據(jù)表 1,ADS1261 VREF 的典型電流為 0.2mA。在 PGA 禁用 (2.7mA) 且內(nèi)部 VREF 啟用的情況下運行 ADC 時,應(yīng)該產(chǎn)生 2.9mA 的總電流。然而,圖 4 中測得的瞬態(tài)電流為60mA,比預(yù)期值大 20 倍以上。此瞬態(tài)電流主要來源于為 VREF 輸出引腳和接地端之間的濾波電容器充電所需的浪涌電流。

          圖 4 中存在一個有趣的特性,那就是電流需求在整個瞬態(tài)脈沖中基本上一直保持在 60mA。此行為是 ADS1261 內(nèi)部 VREF 中設(shè)計的固有電流限制造成的,這有助于在 REFOUT 引腳接地短路時保護 ADC。

          本文執(zhí)行了一些額外的功能測試,這些測試沒有顯示任何可測量的瞬態(tài)電流,但本文沒有測試所有的運行條件。另外,還應(yīng)注意,這種行為并不限于 ADS1261;所有精密 ADC上都可以觀察本文中所述的瞬態(tài)電流。

          電源電路選項

          瞬態(tài)電流可能導(dǎo)致壓降等問題,進而可能導(dǎo)致 ADC 運行不穩(wěn)定。因此,設(shè)計電源時務(wù)必要考慮平均和瞬態(tài)電流需求。下面來看看三種不同電源選項的優(yōu)勢和挑戰(zhàn):

          ? 低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)。TI 建議使用 LDO 為精密 ADC 供電。LDO 具有很多優(yōu)勢,例如出色的噪聲性能、低電壓紋波以及小而簡單的實現(xiàn)方式。LDO 最重要的優(yōu)勢是能夠在瞬態(tài)期間可靠地保持輸出電壓,同時還提供低靜態(tài)電流。

          ? 線性穩(wěn)壓器。如果選擇 LDO 會導(dǎo)致成本過高,則具有標準壓降電壓的線性穩(wěn)壓器也是一個不錯的選擇。線性穩(wěn)壓器可以在瞬態(tài)期間可靠地保持輸出電壓,同時還提供與 LDO 類似的低靜態(tài)電流。使用線性穩(wěn)壓器時的挑戰(zhàn)是壓降電壓明顯更大,這可能需要特定的電壓軌來為這些器件供電。線性穩(wěn)壓器還往往采用較大的封裝,因為它們的效率較低并且要散發(fā)的熱量較多。額外的熱量會導(dǎo)致封閉式系統(tǒng)溫度升高,從而可能導(dǎo)致精密系統(tǒng)出現(xiàn)漂移誤差。

          ? 并聯(lián)穩(wěn)壓器。并聯(lián)穩(wěn)壓器是其中一種最具成本效益的電源選項。雖然該選項可以節(jié)省成本,但設(shè)計可靠電源電路的復(fù)雜性也會增加。例如,需要雙極電源供電的精密 ADC 可以使用低電壓可調(diào)節(jié)并聯(lián)穩(wěn)壓器 TLV431 來生成 ±2.5V 的電壓軌。您可以使用 TLV431 來實現(xiàn)此目的,因為它具有低 VREF。然而,使用該穩(wěn)壓器時存在一個挑戰(zhàn),那就是它只能提供有限的電流。TLV431 數(shù)據(jù)表還要求陰極電流不小于 1mA。這兩個限制因素限制了圖 5 和圖 6 中所示標準設(shè)置的輸出電流能力。

          圖 5. 具有正輸出的限流并聯(lián)穩(wěn)壓器電路。

          圖 6. 具有負輸出的限流并聯(lián)穩(wěn)壓器電路。

          圖 5 和圖 6 顯示了陰極電流和提供給 ADC 的電流都必須流經(jīng)電阻器 R1。該配置將電源電流限制為 (VSUP–VREF)/R1,從而帶來了兩個設(shè)計挑戰(zhàn)。首先,即使未施加負載,持續(xù)流經(jīng) R1 的電流也會消耗功率。嘗試降低 R1 來增加可用電源電流也會成比例地增加靜態(tài)功耗。其次,R1 設(shè)置的最大電流通常無法支持 ADC 所需的數(shù)百毫安瞬態(tài)電流。如果無法提供必要的電流,會導(dǎo)致電源電壓下降,并可能導(dǎo)致 ADC 運行不穩(wěn)定。

          通過在圖 5 和圖 6 中的電路中添加兩個元件,可以緩解這些問題。圖 7 和圖 8 展示了一個修改后的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路,其中包含一個晶體管和一個偏置電阻器 Rb。

          圖 7. 改進后具有正輸出的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路。

          圖 8. 改進后具有負輸出的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路。

          與圖 5 和圖 6 中的系統(tǒng)相比,圖 7 和圖 8 中的電源電路可以提供更大的電流,因為晶體管消除了電源輸入 (VSUP) 和輸出 (VOUT) 之間的任何電阻。通過安裝 Rb 而不是依靠 R1,該新電路還可以保持 ≥1mA 的陰極電流。因此,只需電阻 R1 和 R2,即可設(shè)置輸出電壓,如方程式 1 所示。

          方程式1

          低功耗系統(tǒng):斷電還是關(guān)機?

          低功耗 DAQ 系統(tǒng)通常通過使用多種不同的斷電方法來實現(xiàn)省電。一些 ADC 的是在其未使用時置于低功耗狀態(tài),從而幫助降低系統(tǒng)功耗。ADC 數(shù)據(jù)表中指定了此模式下的電流消耗。另一種常用的節(jié)能技術(shù)是在 ADC 未使用時直接關(guān)閉電源,并在需要時重新打開電源。此方法在系統(tǒng)關(guān)閉時不產(chǎn)生功耗。

          但是,后一種方法會受到本文所討論的瞬態(tài)電流的影響,因為任何電容器都必須在每次上電下電時充電。您可以使用電荷 (Q) 和電流 (I) 的標準公式來估算電源關(guān)閉時的系統(tǒng)電流消耗,然后將此值與下的 ADC 數(shù)據(jù)表值進行比較。

          例如,ADS1261 數(shù)據(jù)表建議在 AVDD 和 AVSS 之間并聯(lián) 10μF 和 0.1μF 去耦電容器。該數(shù)據(jù)表還指定 AVDD 必須為 5V。根據(jù)方程式 2 和方程式 3 計算得出,如果電源每秒上電下電一次,則平均電流為 50.5μA:

          方程式 2

          方程式 3

          其中,C = 10.1μF (10μF + 0.1μF)、V = 5V 且 t = 1s。

          根據(jù)表 1 中的綠色突出顯示部分所示,下的 ADS1261 斷電電流僅為 8μA(最大值)。比較這兩個選項可以發(fā)現(xiàn),使用 ADC 斷電模式所節(jié)省的功耗是關(guān)閉電源時所節(jié)省功耗的 6 倍以上。因此,必須考慮瞬態(tài)電流對總體功耗的影響。選擇將 ADC 置于斷電狀態(tài)通常是更節(jié)能的解決方案。



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