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透過新方法為訊號鏈系統建立電源解決方案
 

【作者: ADI】   2022年05月25日 星期三

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訊號鏈系統將實體世界中的類比數據連接到處理數據的數位世界。然而為訊號鏈系統供電會是一項挑戰,因為電源不可以降低系統的整體性能。線性穩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,開關穩壓器可明顯提升效率,但其開關特性會引入雜訊,從而影響訊號鏈系統的性能。借助ADI的 訊號鏈電源(SCP) 硬體評估平台 和 配套軟體工具,無論有無電源應用經驗,訊號鏈硬體工程師都能簡單直覺為其訊號鏈系統設計電源。


什麼是訊號鏈電源(SCP)平台?


SCP平台是硬體和軟體的結合,可因應為訊號鏈系統開發電源時所遭遇的挑戰。其目的在指導系統設計工程師為其儀器儀表、測試測量、工業自動化精密訊號鏈應用提供優異且完整的電源解決方案。


SCP硬體是一組評估板,該平台的配套軟體SCP Configurator為訊號鏈工程師提供建議,協助他們選擇最適合其應用的電源樹。SCP平台硬體和SCP Configurator的結合,為設計工程師提供一種快速開發訊號鏈電源解決方案的方法。


圖1 : 為訊號鏈開發電源解決方案的傳統方法之一是連接多個展示板。另 一種方法是使用多個工作台電源。這兩種方法都會耗費大量時間,尤其是在優化解決方案時。
圖1 : 為訊號鏈開發電源解決方案的傳統方法之一是連接多個展示板。另 一種方法是使用多個工作台電源。這兩種方法都會耗費大量時間,尤其是在優化解決方案時。

圖2 : 使用SCP平台硬體的電源解決方案示例
圖2 : 使用SCP平台硬體的電源解決方案示例

訊號鏈電源(SCP)硬體評估平台

我們從數千款Power by Linear產品中挑選出一小部分可用於該硬體方案的產品清單,這些產品已在許多訊號鏈應用中使用,在列表中進行挑選可簡化電源產品的選擇。其支援多種電源配置,可滿足精密訊號鏈的大部分電源要求,訊號鏈可以採用升壓、降壓、升降壓、反相和雙輸出升壓/反相拓撲結構。該平台包括一系列可用於後置穩壓器以提升系統雜訊性能的正負LDO穩壓器。



圖3 : SCP-ADP5070-EVALZ 雙通道DC-DC轉換器(左)和 SCP-LT3045-1-EVALZ LDO 穩壓器(右)
圖3 : SCP-ADP5070-EVALZ 雙通道DC-DC轉換器(左)和 SCP-LT3045-1-EVALZ LDO 穩壓器(右)

硬體平台中的電路板使用標準尺寸,外形很小,附帶的輸入和輸出接頭具有預定的極性。這些接腳接頭的位置定義明確,支援創建多種板組合。電路板設計的這些方面有助於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 : 雖然拓撲結構不同,但 LT1956 降壓轉換器(左)和 LT3045-1 穩壓器(右)具有相同的電路板尺寸
圖4 : 雖然拓撲結構不同,但 LT1956 降壓轉換器(左)和 LT3045-1 穩壓器(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計有超大的0805焊盤。這些元件包括回饋、補償、頻率設定、軟啟動、運行和VIOC等。這使得返工和設計調整更加方便。一些SCP開關穩壓器支援頻率同步。使用SCP板上提供的SMA連接器,可以透過該板饋送外部時脈。


SCP硬體並整合了追蹤功能,可透過輸入到輸出控制電壓(VIOC)控制為線性後置穩壓器供電的開關前置穩壓器。VIOC接腳是此追蹤功能的輸出,其驅動前置穩壓器回饋(FB)接腳以將LDO穩壓器輸入電壓保持在VOUT + VVIOC。該功能可用於大幅降低LDO穩壓器的功耗,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穩壓器上實現VIOC功能的示例
圖5 : 在LT3045-1 LDO穩壓器上實現VIOC功能的示例

所有SCP開關穩壓器和LDO板都經過配置,以便在系統需要以某種順序上電和/或關斷時,用戶可以正確的控制每個電源軌的時序。使用者可以從系統發送數位高或低位準訊號,以使能或禁用各電源模組。也可以使用電源時序控制器和監控器(如 LTC2928)來實現此功能。電路板有一個專用接頭,用於監視輸出並將其設定為所需的電源序列。


SCP硬體平台還包含板配件,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軌
圖6 : 分線板可用於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並行電壓輸出軌。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,並提供插口用於標準輸出測量和表徵。



圖7 : 5×1重整板將多個電源軌組合成單個連接器分線板
圖7 : 5×1重整板將多個電源軌組合成單個連接器分線板

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



圖8 : 通板(左)和濾板(右)
圖8 : 通板(左)和濾板(右)

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



圖9 : 使用開關穩壓器板、LDO板、輸入和輸出板的電源配置示例
圖9 : 使用開關穩壓器板、LDO板、輸入和輸出板的電源配置示例

利用SCP硬體平台,系統設計人員可以輕鬆創建和設計完整的電源解決方案,並快速評估訊號鏈系統的性能。SCP電源板的隨插即用配置還實現了快速簡便的電源系統優化。當設計優化完成並準備好整合到最終設計中時,所有工程資料都可以在analog.com下載。


訊號鏈電源(SCP) Configurator

SCP Configurator是SCP系列硬體評估板的配套軟體工具。它有一個簡單直覺的圖形化使用者介面(GUI),無論有無電源設計經驗,設計工程師都能快速為其訊號鏈系統產生電源解決方案。


演算法根據使用者提供的要求產生電源架構的最佳建構模組。首先應確定訊號鏈系統需要的輸入電壓源、輸出電壓和預期負載電流值。如果特定電源軌要求低雜訊,則提供一個核取方塊並選中它。這會增加一個LDO後置穩壓器以降低電源軌上的雜訊。這又回到了為訊號鏈開發電源解決方案時最具挑戰性的問題:「雜訊低到什麼程度才算好?」


圖10中的GUI顯示產生的電源解決方案結果。它提供所產生電源解決方案的圖形展示,以協助使用者建構電源樹並互連所有相關的SCP硬體板系列。並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軟體,圖中產生的解決方案具有五個輸出軌
圖10 : SCP Configurator軟體,圖中產生的解決方案具有五個輸出軌

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



圖11 : 產生的PDF格式解決方案報告
圖11 : 產生的PDF格式解決方案報告

工作原理

一旦完成訊號鏈系統的客製化電源架構,就可以將建構模組拼接來創建硬體測試平台,並對整個訊號鏈系統進行性能評估。為了展示SCP平台如何簡化訊號鏈電源解決方案的設計和評估過程,將使用該平台來為 AD4020 差分 SAR ADC設計電源解決方案。在本例中,SCP平台將為 CN0513供電,後者是一款使用AD4020的低漂移、高精度數據獲取解決方案。



圖12 : CN0513的系統架構,可用於評估SCP硬體的雜訊性能
圖12 : CN0513的系統架構,可用於評估SCP硬體的雜訊性能

SAR ADC需要一個1.8 V電源(VDD)和一個用於輸入/輸出介面(VIO)的數位電源。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使用兩個電壓軌。


為了開始使用該平台,SCP Configurator需要一個輸入電壓要求來為系統產生電源解決方案,因此使用9 V的標準輸入電壓。


圖13 : SCP Configurator的輸入電壓要求部分
圖13 : SCP Configurator的輸入電壓要求部分

SCP Configurator還使用系統的電壓和電流要求。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品手冊中獲得,如表1所示。


PGIA輸入級使用兩個 ADA4627-1 JFET運算放大器,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的其他元件,需要增加一定的電流,導致+VS和–VS軌的最大電流為20 mA。這些將被放入GUI中,以便產生採用SCP平台硬體的電源解決方案。還有一個核取方塊,指示電源軌是否有低雜訊要求。若勾選,將會增加一個LDO穩壓器來改善電源軌的雜訊性能。對於本演示,所有電壓軌都有低雜訊要求。


表1 AD4020電源要求 電源軌 軌電壓 最大電流 VDD 1.80 V 1.10 mA VIO 3.30 V 0.30 mA +VS 5.50 V 20.0 mA –VS –1.00 V 20.0 mA

圖14 :  SCP Configurator的電源軌要求部分
圖14 : SCP Configurator的電源軌要求部分

SCP Configurator產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穩壓器。這很重要,因為這對於優化電源解決方案很有用。其背後的原因是,當SCP Configurator產生完整的電源樹時,可以根據硬體的外形尺寸輕鬆更改此電源樹。這樣就能更快進行對電源解決方案的變更。



圖15 : SCP Configurator根據圖13和圖14所示要求產生的電源解決方案
圖15 : SCP Configurator根據圖13和圖14所示要求產生的電源解決方案

圖16 : 建議對電源軌3和4(1.80 V和3.30 V)僅使用LDO穩壓器的提示
圖16 : 建議對電源軌3和4(1.80 V和3.30 V)僅使用LDO穩壓器的提示

有兩種方法可以確定對電源雜訊的容限。第一種方法是瞭解並量化訊號處理負載對電源雜訊的敏感度1,這很繁瑣且複雜。第二種方法是一種優化且實用的方法,即運行快速系統性能評估,這就要用到SCP硬體平台的隨插即用系統。


為了衡量硬體的性能,我們獲得了CN0513雜訊指標。來自波形產生器的1 kHz正弦波用作評估板的輸入,檢查ADC採樣的正弦波的等效FFT。此過程首先使用板載電源完成,以用於AD4020性能的參考。然後,將SCP平台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,僅使用開關穩壓器板,僅使用LDO板。另一方面,對負電源軌僅使用默認建議進行測試,因為輸出電壓要求低於負開關穩壓器板的最小輸出電壓,並且負LDO穩壓器無法連接到輸入正電壓。



圖17 : 使用SCP平台作為外部電源的CN0513的雜訊測量
圖17 : 使用SCP平台作為外部電源的CN0513的雜訊測量

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雜訊參數。


表2 正電源軌(+VS = 5.5 V)

參數

關關穩壓器+ LDO

僅開關穩壓器

僅LDO

動態範圍

98.165 dB

98.434 dB

98.362 dB

無雜散動態範圍(SFDR

120.26 dB

120.07 dB

120.4 dB

訊號雜訊(SNR

97.39 dB

97.66 dB

97.59 dB

總諧波失真(THD

–119.67 dB

–119.5 dB

–119.76 dB

訊噪失真比(SINAD

97.36 dB

97.63 dB

97.56 dB


表3 AD4020電源軌(VDD = 1.8 V)

參數

關關穩壓器+ LDO

僅開關穩壓器

LDO

動態範圍

98.165 dB

98.301 dB

98.347 dB

SFDR

120.26 dB

119.46 dB

119.55 dB

SNR

97.39 dB

97.53 dB

97.57 dB

THD

–119.67 dB

–118.75 dB

–118.97 dB

SINAD

97.36 dB

97.49 dB

97.54 dB


表4 數位電源軌(VIO = 3.3 V)

參數

開關穩壓器+ LDO

僅開關穩壓器

LDO

動態範圍

98.165 dB

98.119 dB

98.152 dB

SFDR

120.26 dB

120.65 dB

120.16 dB

SNR

97.39 dB

97.34 dB

97.38 dB

THD

–119.67 dB

–120.12 dB

–119.69 dB

SINAD

97.36 dB

97.32 dB

97.35 dB


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相當。對於5.5 V正電源軌,僅使用開關穩壓器板或LDO板本身是一種可能的選擇,因為已經證明,它相對於同時使用LDO和開關穩壓器板的配置有所改善。對於1.8 V AD4020電源軌,在三種配置中,僅使用LDO板的配置產生了最高的動態範圍、SNR、SINAD和最低的THD。


然而SFDR低於開關穩壓器和LDO板的組合配置。3.3 V數位電源軌的數據顯示,所有配置都可以使用,因為對於每個指標,不同配置的測量結果都非常好。不同電源軌的資料是可以相互比擬的,但測量值的這些差異可能會對應用性能產生很大影響。


對於使用不同SCP配置的雜訊指標的這些測量,如果使用單獨的展示板來進行將需要更長時間。電源解決方案為訊號鏈供電,雜訊指標的差異會對訊號鏈產生巨大影響,因此擁有一個能夠減少確定系統最優電源解決方案所需時間和精力的平台是很有幫助的。當考慮雜訊指標時,該平台的表現也很良好,這可以協助設計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。


結論

當設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的雜訊指標來展示訊號鏈電源(SCP)平台。如果使用傳統方法,完成這項任務可能需要大量時間。SCP硬體評估平台和SCP Configurator工具 可以消解電源解決方案設計和評估中的許多挑戰,使具備各種專業資歷的訊號鏈系統工程師都能從中受益。


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


參考電路

[1]Pablo Perez, Jr.和Patrick Errgy Pasaquian。優化訊號鏈的電源系統—第1部分: 多少電源雜訊可以接受?。類比對話,第55卷第1期,2021年3月。


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