中心議題：

• 電源濾波
• AC性能分析
• 轉換器的比較

解決方案：

• Murata公司的NFM31PC276B0J3 EMI解決方案
• 采用ADS4149評估模塊

對于挑選高速數據轉換器的設計者而言，功耗是最重要的系統設計參數。無論是需要較長電池壽命的便攜設計，還是消耗熱能較少的小型產品，功耗都很關鍵。系統設計者過去都采用低噪聲的線性穩壓器為數據轉換器供電，如低壓差穩壓器，而不是開關穩壓器，原因是他們擔心開關噪聲會進入轉換器的輸出頻譜，從而大大降低AC性能。　

不過，較新一代經過噪聲優化的開關穩壓器（用于手機）可最大限度地減少與相鄰低噪聲與功率放大器之間的干擾，從而使應用發生了一種轉變。它們能夠直接從一個DC/DC轉換器為高速數據轉換器供電，而不會顯著降低AC性能。這一設計可立即將功率效率提高20%~25%.　　

現代高速轉換器可較前代減少大約50%的功耗，部分原因是將電源電壓從3.3V降低到了1.8V.在一個采用低壓差穩壓器的設計中，隨著電源軌的下降，穩壓器的壓差以及可用電源軌對功率效率就變得更為重要。電路板的數據部分通常有很多電壓軌，為FPGA和處理器提供各種核心與I/O電壓。而在模擬部分，可能只有少數"干凈"的電壓供選擇，如3.3V和5V.　　

對一個高速數據轉換器來說，可以用一只線性穩壓器，從一個公共5V電壓軌獲得3.3V電壓。這樣，低壓差穩壓器上有1.7V的壓降，相當于約35%的功率損失。當采用低壓差穩壓器（如ADS4149），從3.3V總線上為一只ADC提供1.8V電源時（參考文獻1），線性穩壓器上的功率損耗增加到大約45%,這意味著低壓差穩壓器幾乎耗散了一半的功率。本例說明低效率的電源設計可輕易損失掉50%的功率。開關穩壓器的效率與輸入電源軌的大小沒什么關系，因此，能節省相當大的功率。通過精心設計，可以將對AC性能的影響降低到最低程度。　　

電源濾波　　

隔離來自ADC開關噪聲的一個關鍵元件是電源濾波器，它包括一個鐵氧體磁環和旁路電容。在選擇鐵氧體磁環時應考慮多個關鍵特性。首先，鐵氧體磁環必須有用于數據轉換器的充足額定電流，它必須有低的DCR（直流阻抗），以盡量減少磁環自身的壓降。例如，當一個200mA電源通過一個DCR為1Ω的磁環時，產生一個200mV的壓降。這個壓降可能將ADC上的電壓推至邊沿，考慮到電源電壓的標準差，ADC電壓甚至可能低于建議的工作電壓。　　

其次，鐵氧體磁環必須對開關頻率和DC/DC轉換器的諧波有高阻抗，以阻擋開關噪聲和開關毛刺。市面上大多數鐵氧體磁環的阻抗是在100MHz,而現代DC/DC轉換器的典型開關頻率是500kHz~6MHz.在我們的例子中，ADS4149評估模塊采用了一只TPS625290開關穩壓器，開關頻率為2.25MHz（參考文獻2）。由于DC/DC穩壓器是方波輸出，因此還必須考慮更高階的諧波。Murata公司的NFM31PC276B0J3EMI濾波器在該頻率范圍內有高阻抗和低DCR.　　

圖1比較了一個采用100MHz時電阻為68Ω的Murata EMI濾波器的傳統鐵氧體磁環插入損耗。電源電路有低的阻抗，在50Ω環境下測出插入損耗。因此，電源濾波器的插入損耗量值可能有少許差異，雖然諧振頻率并不變化。
 

圖1,相比一個100 MHz時電阻為68Ω的傳統鐵氧體磁環，Murata公司的NFM31PC276B0J3 EMI有高的阻抗和低DCR.　　

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電源濾波器中的其它元件是旁路電容。選擇這些電容值時，應使它們的諧振頻率（產生一個接地的低阻抗路徑）接近于開關頻率。這樣，通過磁環的開關噪聲就被短路到地。圖2的電源濾波器插入損耗比較表明，正確的旁路電容值可產生一個接近于開關頻率的諧振，即使是用于一只傳統鐵氧體磁環，如EXCML32A680.不過，在低頻時，如果將其與一只0Ω電阻放在一起，就沒有那么大差異了。另一方面，Murata EMI濾波器提供了圍繞開關頻率的大約20dB額外衰減。圖3中的電源濾波器使用了一只33μF鉭電容做寬頻去耦，而10μF、2.2μF和 0.1μF的陶瓷電容則有狹窄的諧振頻率。
 

圖2,正確的旁路電容值可產生一個接近于FS（開關頻率）的諧振，即使與一個傳統鐵氧體磁環（如EXC-ML32A680）結合使用。

圖3,此電源濾波器采用了一只33μF鉭電容做寬頻去耦，而10μF、2.2μF和 0.1μF的陶瓷電容則有狹窄的諧振頻率。

AC性能　　

根據數據轉換器的PSRR 特性，電源軌上某些噪聲量仍能進入ADC,降低AC性能。圖4是SNR與SFDR（無雜散動態范圍）比較掃頻圖，其中一個是用低壓差穩壓器的基準電源（如1.8V的實驗室用干凈電源），另一個是采用ADS4149評估模塊、有不同電源濾波器選項的DC/DC轉換器。
 

圖4,這些SNR（a）和SFDR（b）掃頻圖比較了一個用低壓差穩壓器的基準電源（如1.8V的實驗室用干凈電源），以及一個采用ADS4149評估模塊、有不同電源濾波器選項的DC/DC轉換器。

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測試結果表明，在300MHz的中間頻率下，當用開關穩壓器供電時，SNR性能比低噪聲低壓差穩壓器下降了大約0.3dB.而各種方式的SFDR性能幾乎相同。通過仔細觀察正態化的FFT圖（開始于輸入信號，繪制的是噪聲與偏移頻率關系圖），表明當使用次優的EXC鐵氧體磁環時，整個Nyquist區中的背景噪聲略有升高，而沒有任何開關頻率饋入的跡象（圖5）。
 

圖5,正態化的FFT圖（開始于輸入信號，繪制的是噪聲與偏移頻率關系圖），表明當使用次優的EXC鐵氧體磁環時，整個Nyquist區中的背景噪聲略有升高，而沒有任何開關頻率饋入的跡象。　　

功率效率　　

用DC / DC 轉換器替代線性穩壓器的主要優點是節能。在用ADS4149評估模塊做的所有實驗中，分別采用了外接3.3V電源和一個公共的模擬電源軌，為低壓差穩壓器和開關穩壓器供電。表1給出了測得的功率效率，以及它們相應的靜態電流。這種比較表明，低壓差穩壓器的功耗幾乎總是比ADC高得多。開關穩壓器功耗較一個理想方案只高32mW,從而獲得了一個高效的電源設計。當逐步下調輸入電壓時（從3.3V起，再到2.5V或2.2V），可以進一步提高低壓差穩壓器的效率，但要付出更高系統成本和更大體積的代價。　　

雖然DC/DC轉換器設計需要較低壓差設計更多的外接元件，但其總體占位面積卻可能更小，因為較新型DC/DC轉換器有更高的開關頻率，從而大大降低了電感的體積，例如，在500kHz下需要33μH,而在2.25MHz下只要約2.2μH.
 

表1:轉換器的比較　　

 

反之，線性穩壓器可能不需要電源濾波，但它們也有體積限制，因為它們通常要耗散更多功率。從成本角度看，開關穩壓器可能成本略高，因為元件數量較多。不過，增加的效率可以抵消散熱技術以及系統功率預算的成本。　　

當系統設計者尋求更高功率效率的元件時，采用將高速數據轉換器設計中的電源架構改為開關穩壓器的方法，可以節省大量的能耗。你可以用一個開關穩壓器直接為一個低功耗的高速數據轉換供電，而不會明顯降低其AC性能。