在功耗敏感型应用中利用高效率_超低功耗开关稳压器为精密SAR ADC供电

精密测量已延伸到需要越来越高电源效率的应用领域。物联网的到来使这一点尤为明显，因为物联网更加需要具有精密测量能力的无线传感器节点，电池供电的可穿戴健身/医疗设备，以及使用隔离电源供电、4 mA到20 mA环路供电或电池供电现场仪表的工业信号链。在这些场景中，电源效率越高，意味着电池使用时间越长，维护越少，电源设计越简单。

通常，精密测量系统将低压差稳压器（LDO）作为其电源方案的一部分，利用它来为精密ADC产生低噪声电源轨。然而，LDO的功率输出效率非常低下，大部分功率常常作为热量损失掉。本文讨论为精密逐次逼近型（SAR） ADC实现更高效率电源解决方案的途径。实现方法是在迟滞模式下使用超低功耗开关稳压器，并分析性能得失——包括通过某种方式来智能控制开关稳压器，使之与SAR转换同步，从而改善噪声性能。

在中高负载电流（数百mA到数A）的测量系统中，固定频率或脉宽调制（PWM）开关稳压器可非常有效地（常常大于90%）产生电源轨。然而，效率虽然高，但代价是会有开关纹波，其频率通常是固定的，从数百kHz到数MHz。如图1所示，典型精密SAR ADC的电源抑制比（PSRR）在低频至约100 kHz时是非常好的——超过此频率时，PSRR迅速下降。

图1. SAR ADC模拟电源抑制与频率的关系

精密SAR ADC以较低吞吐速率运行时，供应VDD线的典型负载电流在数mA或？A范围——因此，相比于LDO，使用固定频率开关稳压器直接为ADC供电在效率上没有优势。然而，高效率、超低功耗降压开关稳压器可在迟滞模式下工作，其静态电流非常低。

在迟滞模式下，通过调节恒定峰值电感电流，稳压器利用PWM脉冲使输出电压略高于标称输出电压。当输出电压提高到输出检测信号超过迟滞上限时，稳压器进入待机模式。在待机模式下，高端和低端MOSFET及大部分电路都禁用，静态电流很低，效率性能很高，如图2所示。待机模式期间，输出电容将能量送入负载，输出电压降低到低于迟滞比较器下限为止。稳压器唤醒，产生PWM脉冲，再次对输出充电。

在迟滞情况下，开关纹波频率与负载电流和LC网络有关；对于数mA的负载，其在kHz范围内。在数kHz时，精密ADC的PSRR非常好，能够很好地抑制/衰减ADC数字输出端的开关纹波。

图2. PWM（上图）和迟滞模式（下图）——效率与负载电流的关系

以图3所示电路为例，它使用AD7980ADC；在全吞吐速率（1 MSPS）时，其VDD电流消耗典型值为1.5 mA；若降低吞吐速率，电流消耗会按比例线性下降。这可从图4看出：采用5 V电压轨供电时，2.5 V稳压输出端的开关频率纹波为4.5 kHz和50 mV峰峰值。在ADC数字输出端，ADC以PSRR额定值衰减此纹波。在ADC FFT输出中，它表现为幅度？120 dBFS、频率4.5 kHz的杂散。对于ADC的5 V输入范围，这相当于

出现在ADC输出端的这种纹波水平对一个16位转换器而言是非常低的；5 μV峰峰值对应于16位下的0.07 LSB。这种水平的纹波会被埋在ADC噪底中，需要大量均值操作才能发现，在很多应用中都不会看到它。此输出纹波对应的PSRR为

该要求与图1所示相似，AD7980在4.5 kHz时的PSRR约为77 dB。

图3. AD7980和ADP5300应用电路

图4. ADP5300为AD7980供电时的迟滞开关纹波（交流耦合），以及1 MSPS吞吐速率时的ADC FFT输出中的纹波音

若ADC吞吐速率降低到10 kSPS，则ADC的电流消耗按比例线性下降到15 μA （约100倍），ADP5300 的开关频率纹波相应地降低到46.5 Hz （约100倍），幅度为55 mV峰峰值，如图5所示。在46 Hz时，该纹波再次在ADC FFT输出中出现，幅度为？120 dB （5 μV峰峰值），因为在该频率的PSRR相似。有证据表明存在93 Hz的二次谐波，其幅度更低，为？125 dB。

图5. ADP5300为AD7980供电时的迟滞开关纹波（交流耦合），以及10 kSPS吞

吐速率时的ADC FFT输出中的纹波音

图6对照显示了ADP5300和LDO在不同ADC吞吐速率时的效率，两种情况均采用5 V电压轨供电，调节2.5 V输出。同预期一样，开关稳压器输送功率的效率远胜于LDO，在1 MSPS时是90%对50%（针对5 V输入），在较低ADC吞吐速率/较低电流消耗时保持得也更好，始终高于80%，直至5 kSPS。ADC吞吐速率为1 MSPS且使用LDO时，从5 V电压轨消耗的电流为1.5 mA或7.5 mW。使用ADP5300时，从5 V电压轨消耗的电流为828 μA或4.1 mW，即ADC电源的功耗减少3.4 mW或45%。

图6. ADP5300和LDO的效率与ADC吞吐速率的关系

使用ADP5300作为VDD电源以及10 kHz近满量程输入信号（？0.5 dB），AD7980在1 MSPS时的性能如图7所示。在SNR （91.5 dB）和THD（？103 dB）方面，ADC仍然符合数据手册规格。然而，ADP5300的4.5 kHz开关纹波会在输入信号上进行调制，显示为10 kHz – 4.5 kHz（5.5 kHz）和10 kHz + 4.5 kHz （14.5 kHz）的杂散。这些杂散仍然处于非常低的水平（？116 dBFS），远小于基波信号的二次谐波引入的THD（其在20 kHz时为？103.8 dBFS）。在16位水平时，这些伪像只是一个LSB的很小一部分，因而在许多应用中，考虑到ADP5300稳压器的省电优势，这是完全可以接受的。

图7. AD7980使用ADP5300作为VDD电源时的性能基波信号周围可以看到开关纹波调制引起的边频带（10 kHz ±4.5 KHz）

ADP5300开关稳压器有一个STOP （停止）切换特性，它可以完全消除开关纹波伪像，使其不会出现在ADC FFT输出中。当STOP处于高电平时，ADP5300的STOP引脚就会阻止SW引脚切换。在对噪声敏感的ADC转换过程中，可利用该特性防止切换发生。为实现这一功能，CNV信号和STOP信号应连在一起（参见图3），并且对来自处理器的CNV信号进行定时，使其在ADC转换时保持高电平。对于AD7980，此时间最大值为710 ns，转换在CNV上升沿启动。结果如图8所示。这种情况下的纹波频率更加变化不定，因为只有在特定时间，SW节点才会开启和调节。另请注意，从STOP信号变为低电平到SW开启的时间可能为数百ns。图8中，STOP下降沿后大约850 ns，SW引脚开启。这意味着，当ADC吞吐速率为1 MSPS时，我们不能使用STOP特性，因为SW引脚将没有足够的时间来变为高电平并调节，VDD电源将失去调节而崩溃。STOP功能在吞吐速率为500 kSPS或更低时有效。

图8. 500 kSPS时使用STOP功能的ADP5300开关纹波（黄色）、CNV/STOP信号（蓝色）及ADP5300的SW引脚（粉红）

从图9可以看出，使用STOP信号后，ADC噪底中完全不存在开关纹波杂散。当施加10 kHz的输入信号时，除一般谐波之外，基波周围没有调制。然而，当SW引脚禁用（STOP为高电平）时，由于SW引脚上的振铃，使用STOP特性的效率会下降。对于500 kHz的ADC吞吐速率，ADP5300的效率降至约75%。这仍然显著高于LDO能够实现的效率（

图9. AD7980使用ADP5300作为VDD电源时的性能，STOP特性时序根据转换周期进行调整

ADP5300等开关稳压器解决方案与LDO解决方案在成本和PCB面积方面具有一定的可比性。BOM主要增加一个电感，2.2 μH电感可以小到0603封装，而对于输入和输出电容，LDO解决方案同样需要。因此，在功耗敏感型应用中，它是LDO的有力替代方案，对精度性能并无明显影响。

当从5 V电源轨为AD7980等精密ADC供电时，ADP5300等高效率、超低功耗开关稳压器与LDO相比，可节省45%的功耗。这对物联网应用（延长无线传感器节点或可穿戴设备的电池使用寿命）、功耗敏感型隔离式工业系统、4 mA至20 mA环路供电系统有很多好处。