訊號(hào)鏈系統(tǒng)將實(shí)體世界中的類比數(shù)據(jù)連接到處理數(shù)據(jù)的數(shù)位世界。然而為訊號(hào)鏈系統(tǒng)供電會(huì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡娫床豢梢越档拖到y(tǒng)的整體性能。線性穩(wěn)壓器可以防止性能降低，但代價(jià)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(huì)引入雜訊，從而影響訊號(hào)鏈系統(tǒng)的性能。借助ADI的 訊號(hào)鏈電源（SCP） 硬體評(píng)估平臺(tái) 和 配套軟體工具，無(wú)論有無(wú)電源應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，訊號(hào)鏈硬體工程師都能簡(jiǎn)單直覺(jué)為其訊號(hào)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源。

什麼是訊號(hào)鏈電源（SCP）平臺(tái)？

SCP平臺(tái)是硬體和軟體的結(jié)合，可因應(yīng)為訊號(hào)鏈系統(tǒng)開發(fā)電源時(shí)所遭遇的挑戰(zhàn)。其目的在指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師為其儀器儀表、測(cè)試測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化精密訊號(hào)鏈應(yīng)用提供優(yōu)異且完整的電源解決方案。

SCP硬體是一組評(píng)估板，該平臺(tái)的配套軟體SCP Configurator為訊號(hào)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(tái)硬體和SCP Configurator的結(jié)合，為設(shè)計(jì)工程師提供一種快速開發(fā)訊號(hào)鏈電源解決方案的方法。

圖1 : 為訊號(hào)鏈開發(fā)電源解決方案的傳統(tǒng)方法之一是連接多個(gè)展示板。另 一種方法是使用多個(gè)工作臺(tái)電源。這兩種方法都會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，尤其是在優(yōu)化解決方案時(shí)。

圖2 : 使用SCP平臺(tái)硬體的電源解決方案示例

訊號(hào)鏈電源（SCP）硬體評(píng)估平臺(tái)

我們從數(shù)千款Power by Linear產(chǎn)品中挑選出一小部分可用於該硬體方案的產(chǎn)品清單，這些產(chǎn)品已在許多訊號(hào)鏈應(yīng)用中使用，在列表中進(jìn)行挑選可簡(jiǎn)化電源產(chǎn)品的選擇。其支援多種電源配置，可滿足精密訊號(hào)鏈的大部分電源要求，訊號(hào)鏈可以採(cǎi)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(tái)包括一系列可用於後置穩(wěn)壓器以提升系統(tǒng)雜訊性能的正負(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）

硬體平臺(tái)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，支援創(chuàng)建多種板組合。電路板設(shè)計(jì)的這些方面有助於快速測(cè)試不同的電路板配置及其性能，同時(shí)保持小而簡(jiǎn)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硬體還支援其他多種功能和特性。電路板在可能需要修改的元件上設(shè)計(jì)有超大的0805焊盤。這些元件包括回饋、補(bǔ)償、頻率設(shè)定、軟啟動(dòng)、運(yùn)行和VIOC等。這使得返工和設(shè)計(jì)調(diào)整更加方便。一些SCP開關(guān)穩(wěn)壓器支援頻率同步。使用SCP板上提供的SMA連接器，可以透過(guò)該板饋送外部時(shí)脈。

SCP硬體並整合了追蹤功能，可透過(guò)輸入到輸出控制電壓（VIOC）控制為線性後置穩(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(dòng)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。該功能可用於大幅降低LDO穩(wěn)壓器的功耗，同時(shí)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(shí)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(guò)配置，以便在系統(tǒng)需要以某種順序上電和/或關(guān)斷時(shí)，用戶可以正確的控制每個(gè)電源軌的時(shí)序。使用者可以從系統(tǒng)發(fā)送數(shù)位高或低位準(zhǔn)訊號(hào)，以使能或禁用各電源模組。也可以使用電源時(shí)序控制器和監(jiān)控器（如 LTC2928）來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。電路板有一個(gè)專用接頭，用於監(jiān)視輸出並將其設(shè)定為所需的電源序列。

SCP硬體平臺(tái)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 : 分線板可用於將單一輸入電壓分成多個(gè)軌

1×2和1×5分線板可用來(lái)建立多個(gè)並行電壓輸出軌。每個(gè)輸出軌上都增加了電流感測(cè)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(guò)SMA連接器提供額外的濾波、電流感測(cè)、功率和訊號(hào)測(cè)量，並提供插口用於標(biāo)準(zhǔn)輸出測(cè)量和表徵。

圖7 : 5×1重整板將多個(gè)電源軌組合成單個(gè)連接器分線板

通板用於墊片，以平衡相鄰電源軌產(chǎn)生的間隙。濾板也可用於墊片，當(dāng)需要額外的被動(dòng)濾波以獲得更好的系統(tǒng)雜訊性能時(shí)可以使用。濾板支援使用RC、LC、直通電容、鐵氧體磁珠和其他接腳網(wǎng)路配置。

圖8 : 通板（左）和濾板（右）

單輸入和輸出板可用於單電源軌評(píng)估。它們還有多種介面選項(xiàng)，例如香蕉插口、採(cǎi)集器或SMA，以用於表徵輸入和輸出特性。

圖9 : 使用開關(guān)穩(wěn)壓器板、LDO板、輸入和輸出板的電源配置示例

利用SCP硬體平臺(tái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以輕鬆創(chuàng)建和設(shè)計(jì)完整的電源解決方案，並快速評(píng)估訊號(hào)鏈系統(tǒng)的性能。SCP電源板的隨插即用配置還實(shí)現(xiàn)了快速簡(jiǎn)便的電源系統(tǒng)優(yōu)化。當(dāng)設(shè)計(jì)優(yōu)化完成並準(zhǔn)備好整合到最終設(shè)計(jì)中時(shí)，所有工程資料都可以在analog.com下載。

訊號(hào)鏈電源（SCP） Configurator

SCP Configurator是SCP系列硬體評(píng)估板的配套軟體工具。它有一個(gè)簡(jiǎn)單直覺(jué)的圖形化使用者介面（GUI），無(wú)論有無(wú)電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)工程師都能快速為其訊號(hào)鏈系統(tǒng)產(chǎn)生電源解決方案。

演算法根據(jù)使用者提供的要求產(chǎn)生電源架構(gòu)的最佳建構(gòu)模組。首先應(yīng)確定訊號(hào)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雜訊，則提供一個(gè)核取方塊並選中它。這會(huì)增加一個(gè)LDO後置穩(wěn)壓器以降低電源軌上的雜訊。這又回到了為訊號(hào)鏈開發(fā)電源解決方案時(shí)最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題：「雜訊低到什麼程度才算好？」

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)助使用者建構(gòu)電源樹並互連所有相關(guān)的SCP硬體板系列。並提供每個(gè)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(lái)排列。

圖10 : SCP Configurator軟體，圖中產(chǎn)生的解決方案具有五個(gè)輸出軌

此外，GUI產(chǎn)生的電源解決方案可以PDF格式列印。報(bào)告包含同樣的輸出設(shè)計(jì)圖形表示和每個(gè)電源軌的電路板建議列表。報(bào)告中增加的內(nèi)容有助於互連電源模組所需的所有附件清單。報(bào)告還包括將用戶重定向到相應(yīng)電路板文檔的快捷連結(jié)，例如（但不限於）電路板佈局設(shè)計(jì)、物料清單（BOM）、可輕鬆複製並用於設(shè)計(jì)參考的原理圖。

圖11 : 產(chǎn)生的PDF格式解決方案報(bào)告

工作原理

一旦完成訊號(hào)鏈系統(tǒng)的客製化電源架構(gòu)，就可以將建構(gòu)模組拼接來(lái)創(chuàng)建硬體測(cè)試平臺(tái)，並對(duì)整個(gè)訊號(hào)鏈系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估。為了展示SCP平臺(tái)如何簡(jiǎn)化訊號(hào)鏈電源解決方案的設(shè)計(jì)和評(píng)估過(guò)程，將使用該平臺(tái)來(lái)為 AD4020 差分 SAR ADC設(shè)計(jì)電源解決方案。在本例中，SCP平臺(tái)將為 CN0513供電，後者是一款使用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)，可用於評(píng)估SCP硬體的雜訊性能

SAR ADC需要一個(gè)1.8 V電源（VDD）和一個(gè)用於輸入/輸出介面（VIO）的數(shù)位電源。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。可編程增益儀錶放大器（PGIA）分別為電源接腳+VS和–VS使用兩個(gè)電壓軌。

為了開始使用該平臺(tái)，SCP Configurator需要一個(gè)輸入電壓要求來(lái)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元件的產(chǎn)品手冊(cè)中獲得，如表1所示。

PGIA輸入級(jí)使用兩個(gè) ADA4627-1 JFET運(yùn)算放大器，每個(gè)最大消耗7.8 mA電流。 因此，最大電流為15.6 mA。考慮到PGIA的其他元件，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)生採(cǎi)用SCP平臺(tái)硬體的電源解決方案。還有一個(gè)核取方塊，指示電源軌是否有低雜訊要求。若勾選，將會(huì)增加一個(gè)LDO穩(wěn)壓器來(lái)改善電源軌的雜訊性能。對(duì)於本演示，所有電壓軌都有低雜訊要求。

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(gè)提示，建議對(duì)1.8 V和3.3 V輸出軌僅使用LDO穩(wěn)壓器。這很重要，因?yàn)檫@對(duì)於優(yōu)化電源解決方案很有用。其背後的原因是，當(dāng)SCP Configurator產(chǎn)生完整的電源樹時(shí)，可以根據(jù)硬體的外形尺寸輕鬆更改此電源樹。這樣就能更快進(jìn)行對(duì)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(duì)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(duì)電源雜訊的容限。第一種方法是瞭解並量化訊號(hào)處理負(fù)載對(duì)電源雜訊的敏感度1，這很繁瑣且複雜。第二種方法是一種優(yōu)化且實(shí)用的方法，即運(yùn)行快速系統(tǒng)性能評(píng)估，這就要用到SCP硬體平臺(tái)的隨插即用系統(tǒng)。

為了衡量硬體的性能，我們獲得了CN0513雜訊指標(biāo)。來(lái)自波形產(chǎn)生器的1 kHz正弦波用作評(píng)估板的輸入，檢查ADC採(cǎi)樣的正弦波的等效FFT。此過(guò)程首先使用板載電源完成，以用於AD4020性能的參考。然後，將SCP平臺(tái)作為外部電源連接到評(píng)估板。對(duì)每個(gè)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(duì)負(fù)電源軌僅使用默認(rèn)建議進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)檩敵鲭妷阂蟮挽敦?fù)開關(guān)穩(wěn)壓器板的最小輸出電壓，並且負(fù)LDO穩(wěn)壓器無(wú)法連接到輸入正電壓。

圖17 : 使用SCP平臺(tái)作為外部電源的CN0513的雜訊測(cè)量

這些不同測(cè)試展示電源管理IC的不同組合對(duì)SAR ADC性能的影響。表2、表3和表4顯示了不同電源軌的ADC雜訊參數(shù)。

分析

從表2、表3和表4可以看出，SCP硬體板的不同配置之間的雜訊指標(biāo)相當(dāng)。對(duì)於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?yàn)橐呀?jīng)證明，它相對(duì)於同時(shí)使用LDO和開關(guān)穩(wěn)壓器板的配置有所改善。對(duì)於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(dòng)態(tài)範(fàn)圍、SNR、SINAD和最低的THD。

然而SFDR低於開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO板的組合配置。3.3 V數(shù)位電源軌的數(shù)據(jù)顯示，所有配置都可以使用，因?yàn)閷?duì)於每個(gè)指標(biāo)，不同配置的測(cè)量結(jié)果都非常好。不同電源軌的資料是可以相互比擬的，但測(cè)量值的這些差異可能會(huì)對(duì)應(yīng)用性能產(chǎn)生很大影響。

對(duì)於使用不同SCP配置的雜訊指標(biāo)的這些測(cè)量，如果使用單獨(dú)的展示板來(lái)進(jìn)行將需要更長(zhǎng)時(shí)間。電源解決方案為訊號(hào)鏈供電，雜訊指標(biāo)的差異會(huì)對(duì)訊號(hào)鏈產(chǎn)生巨大影響，因此擁有一個(gè)能夠減少確定系統(tǒng)最優(yōu)電源解決方案所需時(shí)間和精力的平臺(tái)是很有幫助的。當(dāng)考慮雜訊指標(biāo)時(shí)，該平臺(tái)的表現(xiàn)也很良好，這可以協(xié)助設(shè)計(jì)人員瞭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(jì)和評(píng)估電源解決方案時(shí)，需要考慮很多因素，而且需要時(shí)間來(lái)評(píng)估其性能。本文透過(guò)測(cè)量不同電源軌配置下CN0513的雜訊指標(biāo)來(lái)展示訊號(hào)鏈電源（SCP）平臺(tái)。如果使用傳統(tǒng)方法，完成這項(xiàng)任務(wù)可能需要大量時(shí)間。SCP硬體評(píng)估平臺(tái)和SCP Configurator工具 可以消解電源解決方案設(shè)計(jì)和評(píng)估中的許多挑戰(zhàn)，使具備各種專業(yè)資歷的訊號(hào)鏈系統(tǒng)工程師都能從中受益。

（本文作者Joseph Viernes1、Vincent Gregorio1及Anthony Serquina2為ADI1應(yīng)用開發(fā)工程師，2資深應(yīng)用開發(fā)工程師）

參考電路

[1]Pablo Perez, Jr.和Patrick Errgy Pasaquian。優(yōu)化訊號(hào)鏈的電源系統(tǒng)—第1部分： 多少電源雜訊可以接受？。類比對(duì)話，第55卷第1期，2021年3月。