作者：Joseph Viernes,Vincent Gregorio, andAnthony Serquina

信號鏈系統(tǒng)將模擬數(shù)據(jù)從物理世界連接到數(shù)字世界，在那里處理數(shù)據(jù)。然而，為信號鏈系統(tǒng)供電可能是一個挑戰(zhàn)，因為電源不得降低系統(tǒng)的整體性能。線性穩(wěn)壓器可以防止這種性能下降，但代價是功率損耗增加，從而降低效率。另一方面，開關(guān)穩(wěn)壓器可顯著提高效率，但由于其開關(guān)特性，會引入噪聲，從而影響信號鏈系統(tǒng)的性能。ADI公司的信號鏈電源（SCP）硬件評估平臺和SCP配置器配套軟件工具允許信號鏈硬件工程師（無論是否有電源應用經(jīng)驗）以簡化、直觀的方式為其信號鏈系統(tǒng)設計電源。

什么是信號鏈電源（SCP）平臺？

SCP平臺是硬件和軟件的組合，可解決信號鏈系統(tǒng)電源開發(fā)時的挑戰(zhàn)。它旨在指導系統(tǒng)設計工程師為其儀器儀表、測試和測量以及工業(yè)自動化精密信號鏈應用提供最佳、最完整的電源解決方案。SCP硬件是一組評估板，在性能、尺寸和成本之間取得了良好的平衡。SCP配置器是該平臺的配套軟件，為信號鏈工程師提供建議，幫助他們?yōu)槠鋺眠x擇最佳電源樹。SCP平臺硬件和SCP配置器的結(jié)合為設計工程師提供了一種快速開發(fā)信號鏈電源解決方案的方法。

圖1.為信號鏈開發(fā)電源解決方案的傳統(tǒng)方法之一是連接多個演示板。另一種方法是使用多個臺式電源。這兩種方法都會占用大量時間，尤其是在優(yōu)化解決方案時。

圖2.使用 SCP 平臺硬件的電源解決方案示例。

信號鏈電源 （SCP） 硬件評估平臺

從數(shù)以千計的線性功率?產(chǎn)品，確定了一小部分包含在硬件中。這些產(chǎn)品已用于許多信號鏈應用，擁有此列表可簡化電源產(chǎn)品的選擇。它支持多種電源配置，以滿足精密信號鏈的大多數(shù)電源要求，可以是升壓、降壓、升壓或降壓、反相和雙輸出升壓/反相拓撲。該平臺還包括一系列正負LDO穩(wěn)壓器，可用作后置穩(wěn)壓器，以獲得更好的系統(tǒng)噪聲性能。

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）。

硬件平臺中的電路板使用小尺寸的標準尺寸，輸入和輸出接頭具有預定的極性。這些引腳接頭的位置經(jīng)過專門定義，以便能夠創(chuàng)建多個電路板組合。電路板設計的這些方面有助于快速測試不同的電路板配置及其性能，同時保持工作空間小巧簡單。

圖4.LT1956降壓型轉(zhuǎn)換器 （左） 和LT3045-1LDO 穩(wěn)壓器 （右） 盡管拓撲結(jié)構(gòu)不同，但具有相同的電路板尺寸。

除了供電，SCP硬件還支持多種功能和特性。這些板在可能需要修改的組件上設計有超大的 0805 焊盤。這些組件包括反饋、補償、頻率設置、軟啟動、運行和 VIOC 等。這使得返工和設計調(diào)整更加方便。一些SCP開關(guān)穩(wěn)壓器支持頻率同步。外部時鐘可以通過 SCP 板上提供的 SMA 連接器饋入 SCP 板。建議的值和配置設置可以在 analog.com 上每個主板的產(chǎn)品頁面上找到。

SCP硬件還集成了跟蹤功能，通過輸入至輸出控制電壓（VIOC）控制開關(guān)前置穩(wěn)壓器，為線性后置穩(wěn)壓器供電。VIOC引腳是該跟蹤功能的輸出，用于驅(qū)動前置穩(wěn)壓器的反饋（FB）引腳，以將LDO穩(wěn)壓器的輸入電壓保持在V外+ V維奧克.此功能可用于最大限度地降低LDO穩(wěn)壓器的功耗，同時保持其PSRR性能。使用此功能可提高整體效率。

圖5.LT3045-1 LDO穩(wěn)壓器上VIOC功能的示例實現(xiàn)。

所有SCP切換器和LDO板都經(jīng)過配置，以便在系統(tǒng)需要順序上電和/或關(guān)斷時，用戶可以正確排序每個電源軌。用戶可以通過從其系統(tǒng)發(fā)送數(shù)字高電平或低電平信號來啟用或禁用單個電源模塊。電源排序器和監(jiān)控器（如LTC2928）也可用于此功能。包括一個專用接頭，用于監(jiān)控輸出并將其設置為所需的電源順序。

SCP硬件平臺還包括板配件，由1×2分線板、1×5分線板、5×1重新集成板、直通板、濾波板、單輸入板和單輸出板組成。

圖6.分線板可用于將單個輸入電壓分成多個電源軌。

1×2 和 1×5 分線板可用于創(chuàng)建多個并聯(lián)電壓輸出軌。在每個輸出軌上增加了電流檢測和輸出濾波功能。

5×1 集成板將多輸出軌集成到單個尾纖 DUT 連接器中，并通過 SMA 連接器提供額外的濾波、電流檢測、功率和信號測量，以及用于標準輸出測量和表征的香蕉插孔。

圖7.5×1 集成板將多個電源軌組合成單個連接器分支。

通板用作墊片，以平衡相鄰導軌產(chǎn)生的間隙。濾波板也可用作墊片，以防需要額外的無源濾波以獲得更好的系統(tǒng)噪聲性能。濾波板支持使用 RC、LC、饋通電容器、鐵氧體磁珠和其他引腳網(wǎng)絡配置。

圖8.直通板（左）和濾板（右）。

單輸入和輸出板可用于單電源軌評估。它們還具有多個接口選項，例如香蕉插孔、抓取器或用于輸入和輸出表征的 SMA。

圖9.使用切換器板、LDO 板以及輸入和輸出板的電源配置示例。

通過利用SCP硬件平臺，系統(tǒng)設計人員可以輕松創(chuàng)建和設計完整的電源解決方案，并快速評估信號鏈系統(tǒng)的性能。通過SCP電源板的即插即用配置，還可以實現(xiàn)快速簡便的電源系統(tǒng)優(yōu)化。當設計優(yōu)化完成并準備好集成到最終設計中時，所有工程資料都可以在 analog.com 下載。

信號鏈電源 （SCP） 配置器

SCP配置器是SCP系列硬件評估板的配套軟件工具。它是一個簡單直觀的圖形用戶界面（GUI），使設計工程師無論有無電源設計經(jīng)驗，都能為其信號鏈系統(tǒng)快速生成電源解決方案。

該算法根據(jù)用戶提供的要求提供電源架構(gòu)的最佳構(gòu)建塊。應首先確定信號鏈系統(tǒng)所需的輸入電壓源、輸出電壓和預期負載電流值。如果特定電源軌要求低噪聲，則提供一個復選框來啟用它。這增加了一個LDO后置穩(wěn)壓器，以降低電源軌上的噪聲。這又回到了開發(fā)信號鏈電源解決方案時最具挑戰(zhàn)性的問題：“多安靜才算足夠好？

圖10中的GUI顯示了生成的電源解決方案的結(jié)果。它生成電源解決方案的圖形顯示，幫助用戶如何構(gòu)建電源樹并互連所有相關(guān)的SCP硬件板系列。提供了每個導軌的可能替代板的列表。這些替代板通過增加輸出電流能力來排列。

圖 10.SCP配置器軟件，具有五個輸出軌的生成解決方案。

此外，GUI生成的電源解決方案可以以PDF格式打印。該報告包含輸出設計的相同圖形表示和每個電源軌的電路板建議列表。報告中添加的是有助于互連電源模塊模塊塊所需的所有附件的列表。還包括快捷方式鏈接，可將用戶重定向到相應的電路板文檔，例如但不限于電路板布局設計、物料清單 （BOM） 以及可輕松復制并用作設計參考的原理圖。

圖 11.生成的 PDF 格式的解決方案報告。

工作原理

一旦信號鏈系統(tǒng)的定制電源架構(gòu)完成，就可以將構(gòu)建模塊拼接在一起，創(chuàng)建一個硬件測試平臺，并對整個信號鏈系統(tǒng)進行性能評估。為了演示SCP平臺如何簡化信號鏈電源解決方案的設計和評估過程，該平臺將用于設計差分SAR ADC的電源解決方案AD4020。在本例中，SCP平臺將為使用AD4020的低漂移、高精度數(shù)據(jù)采集解決方案CN0513供電。

圖 12.CN0513的系統(tǒng)框圖，將用于評估SCP硬件的噪聲性能。

SAR ADC需要1.8 V電源（VDD）和用于輸入/輸出接口（VIO）的數(shù)字電源。VIO 電源軌可以處理 1.71 V 至 5.5 V 的輸入。在本演示中，將3.3 V設置為VIO輸入電壓。可編程增益儀表放大器（PGIA）使用兩個電壓軌作為電源引腳+VS和 –VS分別。

要開始使用該平臺，SCP配置器需要輸入電壓要求，為系統(tǒng)生成電源解決方案。將使用 9 V 的標稱輸入電壓。

圖 13.SCP 配置器的輸入電壓要求部分。

SCP配置器還使用系統(tǒng)的電壓和電流要求。在本演示中，這些電源軌為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電源軌。這些輸入的電流要求可以從元件的數(shù)據(jù)手冊中獲得，如表1所示。PGIA的輸入級使用兩個ADA4627-1JFET運算放大器，每個放大器的最大功耗為7.8 mA。這導致最大電流為15.6 mA。考慮到PGIA的其他部分，增加了額外的電流，因此+V的最大電流為20 mA。S和 –VS鐵軌。這些將被放入GUI中，GUI使用SCP平臺硬件生成電源解決方案。還有一個復選框來指示導軌是否具有低噪音要求。進行檢查會增加一個LDO穩(wěn)壓器，以改善電源軌的噪聲性能。在本演示中，所有電壓軌都將滿足低噪聲要求。

圖 14.SCP 配置器的電源軌要求部分。

SCP配置器產(chǎn)生的電源解決方案如圖15所示。還有一個提示，建議僅對1.8 V和3.3 V輸出軌使用LDO穩(wěn)壓器。這很重要，因為這在優(yōu)化電源解決方案時很有用。這背后的原因是，雖然SCP配置器生成一個完整的電源樹，但由于硬件的外形尺寸，可以很容易地更改這個電源樹。這樣可以更快地實施對電源解決方案的更改。

圖 15.SCP 配置器根據(jù)圖 13 和圖 14 中的要求生成的電源解決方案。

圖 16.提示僅對電源軌 3 和 4（1.80 V 和 3.30 V）使用 LDO 穩(wěn)壓器。

有兩種方法可以確定可容忍的電源噪聲。第一種方法是了解和量化信號處理負載對電源噪聲的敏感性，1這是乏味和復雜的。第二種方法是最佳和實用的方法，即運行快速系統(tǒng)性能評估，其中SCP硬件平臺的即插即用系統(tǒng)發(fā)揮作用。

為了測量硬件的性能，獲得了CN0513噪聲指標。波形發(fā)生器的1 kHz正弦波用作評估板的輸入，并檢查ADC采樣的正弦波的等效FFT。此過程首先使用板載電源完成，以參考AD4020的性能。之后，SCP平臺作為外部電源連接到評估板。每個正電源軌都經(jīng)過三次檢查：使用SCP配置器的建議，僅使用切換臺板，僅使用LDO板。另一方面，負電源軌僅使用默認建議進行測試，因為輸出電壓要求低于負開關(guān)穩(wěn)壓器板的最小輸出電壓，并且負LDO穩(wěn)壓器無法連接到輸入正電壓。

圖 17.使用SCP平臺作為外部電源的CN0513的噪聲測量。

這些測試證明了不同電源管理IC組合對SAR ADC性能的影響。表2、表3和表4顯示了ADC在不同電源軌下的噪聲參數(shù)。

分析

從表 2、3 和表 4 中，SCP 硬件板不同配置之間的噪聲指標具有可比性。對于5.5 V正電源軌，僅使用切換器板或LDO板本身是一個可能的選擇，因為它比同時使用LDO和開關(guān)板的配置有所改進。對于1.8 V AD4020電源軌，僅使用LDO板可獲得三種配置中最高的動態(tài)范圍、SNR、SINAD和最低THD。但是，SFDR低于組合開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO板。3.3 V數(shù)字電源軌的數(shù)據(jù)顯示，可以使用所有配置，因為對于每個指標，不同的配置具有最佳測量值。不同電源軌之間的數(shù)據(jù)彼此比較，但測量中的這些差異會對應用的性能產(chǎn)生很大影響。

如果使用單獨的演示板，則使用不同SCP配置對噪聲指標的這些觀察將花費更多時間。噪聲指標的差異會對電源解決方案將要為其供電的信號鏈產(chǎn)生巨大影響，因此擁有一個能夠減少確定系統(tǒng)最佳電源解決方案所需的時間和精力的平臺會有所幫助。當考慮噪聲指標時，該平臺也表現(xiàn)良好，這可以幫助設計人員了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

在設計和評估電源解決方案時需要考慮許多因素，并且需要時間來評估其性能。本文通過測量具有不同電源軌配置的CN0513噪聲指標來演示信號鏈電源（SCP）平臺，如果使用傳統(tǒng)方法，這項任務可能需要大量時間。SCP硬件評估平臺和SCP配置器工具可以緩解電源解決方案設計和評估中的許多挑戰(zhàn)，從而使任何專業(yè)知識水平的信號鏈系統(tǒng)工程師受益。

審核編輯：郭婷