為精密 ADC 供電：平均電流與瞬態(tài)電流

本期，為大家?guī)?lái)的是《為精密 ADC 供電：平均電流與瞬態(tài)電流》，目的是探討 ADC 瞬態(tài)電流需求，討論可提供平均電流和瞬態(tài)電流的多種電源配置并比較各種斷電方法的效果。

引言

了解模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 數(shù)據(jù)表電源參數(shù)可以幫助您設(shè)計(jì)更可靠的精密數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，務(wù)必要了解 ADC 數(shù)據(jù)表中的電流消耗是在穩(wěn)態(tài)工作條件下指定的平均值。因此，雖然 ADC 瞬態(tài)電流可能比指定的 ADC 電流大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但這些測(cè)量的電流值并不能表征瞬態(tài)電流需求。在不同的 ADC 工作模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)電流，并且瞬態(tài)電流在最初為器件供電時(shí)最為顯著。此外，ADC 周?chē)碾娐泛驮?huì)導(dǎo)致額外的瞬態(tài)電流需求。

本文深入探討了 ADC 瞬態(tài)電流需求這一主題，首先介紹了典型 ADC 數(shù)據(jù)表如何指定電流，然后分享幾個(gè)測(cè)試的結(jié)果，這些測(cè)試量化了不同工作條件下的瞬態(tài)電流需求。本文討論了可提供平均電流和瞬態(tài)電流的多種電源配置，最后比較了各種斷電方法的效果。

電源規(guī)格

ADC 數(shù)據(jù)表中的電流消耗是在穩(wěn)態(tài)工作條件下指定的平均值。具有多種不同工作條件的 ADC 需要指定多個(gè)電流值。這些條件可能包括 ADC 平均電源電流，該電流會(huì)相對(duì)于數(shù)據(jù)速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者在啟用可編程增益放大器 (PGA) 或電壓基準(zhǔn) (VREF) 等內(nèi)部功能時(shí)電流需求會(huì)增加。例如，表 1 顯示了 TI ADS1261 在不同工作條件下的數(shù)據(jù)表電源規(guī)格，其中 ADS1261 是一款集成 PGA 和 VREF 的 24 位、40kSPS、11 通道 Δ-Σ ADC。

表 1. ADS1261 的數(shù)據(jù)表電源規(guī)格。

表 1 中突出顯示的 PGA 旁路部分顯示了 ADS1261 在 PGA 旁路的情況下正常運(yùn)行期間消耗的平均模擬電流為 2.7mA（典型值）或 4.5mA（最大值）。突出顯示的“按功能”部分表示啟用每個(gè)功能時(shí)電流增加了多少。所有這些電源電流規(guī)格都是通過(guò)在電流穩(wěn)定后測(cè)量器件消耗的平均電流來(lái)表征的。

因此，數(shù)據(jù)表電源規(guī)格對(duì)器件或支持電路在正常運(yùn)行期間所需的任何瞬態(tài)電流需求取平均值。這很重要，因?yàn)閱?dòng)和開(kāi)關(guān)期間的瞬態(tài)電流可能明顯大于數(shù)據(jù)表中指定的值?？煽康南到y(tǒng)設(shè)計(jì)必須能夠應(yīng)對(duì)平均和瞬態(tài)電流需求。

瞬態(tài)電流

瞬態(tài)電流方面的一個(gè)挑戰(zhàn)是，由于 ADC 的工作條件和周?chē)娐凡煌矐B(tài)電流的幅度和持續(xù)時(shí)間可能會(huì)有很大差異。因此，ADC 數(shù)據(jù)表很少指定瞬態(tài)電流。然而，通過(guò)使用示波器探測(cè)與電源走線(xiàn)串聯(lián)的小電阻，可以測(cè)量給定系統(tǒng)配置下的瞬態(tài)電流。然后，您可以使用歐姆定律來(lái)確定產(chǎn)生的電流。

ADS1261 具有一個(gè)評(píng)估模塊 (EVM)，該模塊在電源輸出和 ADC AVDD 引腳之間集成了一個(gè)小阻值電阻。圖 1 展示了包含 10Ω 測(cè)量電阻器 (R33) 的相關(guān)部分 EVM 原理圖。通過(guò)測(cè)量該電阻器上的平均或瞬態(tài)壓降，然后除以 10Ω，便可分別計(jì)算出 ADS1261 汲取的平均或瞬態(tài)電流。本文在各種條件下執(zhí)行多項(xiàng)測(cè)試以便更好地了解此 ADC 的瞬態(tài)電流行為。

圖 1. 使用 ADS1261 EVM 的瞬態(tài)電流測(cè)試電路。

第一個(gè)瞬態(tài)電流測(cè)試是上電測(cè)試，其中在 AVDD 和接地端之間安裝了推薦的 10μF (C23) 和 0.1μF (C24) 去耦電容器。圖 2 顯示了這些條件下的 ADS1261 瞬態(tài)電流。

圖 2. 安裝去耦電容器后上電時(shí)測(cè)得的瞬態(tài)電流。

根據(jù)表 1 中的 ADS1261 電源規(guī)格，PGA 禁用時(shí)的平均電流為 2.7mA（典型值）或 4.5mA（最大值）。然而，圖 2 中的藍(lán)色箭頭指向 ADS1261 最初加電時(shí)出現(xiàn)的 250mA 瞬態(tài)尖峰。此瞬態(tài)是數(shù)據(jù)表中規(guī)定的典型電流的 90 倍以上、最大電流的 55 倍以上。當(dāng) ADC 發(fā)生任何狀態(tài)變化時(shí)，也可能會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的電流尖峰。

圖 2 中的綠色箭頭指示為去耦電容器充電所需的第二個(gè)瞬態(tài)電流。在正常工作條件下，去耦電容器會(huì)存儲(chǔ)補(bǔ)充電荷，以便在發(fā)生瞬變時(shí)提供額外電流。這種額外的電荷有助于保持穩(wěn)定的電源電壓，從而使 ADC 操作不受影響。但是，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，電容器必須從未充電狀態(tài)充電至電源電壓。未加電的電容器在系統(tǒng)上電瞬間的行為類(lèi)似于短路，從而會(huì)導(dǎo)致大浪涌電流。浪涌電流的幅度隨著去耦電容器值的增加而增大。

為了僅測(cè)量 ADC 所需的瞬態(tài)電流，第二個(gè)瞬態(tài)電流測(cè)試移除了圖 1 中 AVDD 與接地端之間推薦的 10μF 和 0.1μF 去耦電容器。圖 3 顯示了這些條件下的 ADS1261 瞬態(tài)電流。

圖 3. 在移除去耦電容器的情況下上電時(shí)測(cè)得的瞬態(tài)電流。

圖 1 中的 45mA 瞬態(tài)尖峰僅表示 ADC 因開(kāi)關(guān)而需要的上電電流。正如預(yù)期的那樣，與在安裝去耦電容器的情況下會(huì)出現(xiàn) 250mA 尖峰相比，僅 ADC 時(shí)的瞬態(tài)電流會(huì)更小。不過(guò)，雖然這樣會(huì)降低瞬態(tài)電流的幅度，但代價(jià)是 ADC 達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流所需的時(shí)間明顯延長(zhǎng)，因?yàn)殡娙萜鞑辉偬峁┤魏窝a(bǔ)充電荷。此外，這個(gè) 45mA 的瞬態(tài)電流仍是表 1 中所列最大 ADC 電流規(guī)格 (4.5mA) 的 10 倍。

本文執(zhí)行了第三組測(cè)試以驗(yàn)證不同的功能也會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)電流尖峰。啟用 ADS1261 VREF 就是這種會(huì)產(chǎn)生尖峰的功能。圖 4 顯示了此瞬態(tài)電流的觀(guān)察行為。

圖 4. 在啟用 ADS1261 VREF 時(shí)測(cè)得的瞬態(tài)電流。

根據(jù)表 1，ADS1261 VREF 的典型電流為 0.2mA。在 PGA 禁用 (2.7mA) 且內(nèi)部 VREF 啟用的情況下運(yùn)行 ADC 時(shí)，應(yīng)該產(chǎn)生 2.9mA 的總電流。然而，圖 4 中測(cè)得的瞬態(tài)電流為60mA，比預(yù)期值大 20 倍以上。此瞬態(tài)電流主要來(lái)源于為 VREF 輸出引腳和接地端之間的濾波電容器充電所需的浪涌電流。

圖 4 中存在一個(gè)有趣的特性，那就是電流需求在整個(gè)瞬態(tài)脈沖中基本上一直保持在 60mA。此行為是 ADS1261 內(nèi)部 VREF 中設(shè)計(jì)的固有電流限制造成的，這有助于在 REFOUT 引腳接地短路時(shí)保護(hù) ADC。

本文執(zhí)行了一些額外的功能測(cè)試，這些測(cè)試沒(méi)有顯示任何可測(cè)量的瞬態(tài)電流，但本文沒(méi)有測(cè)試所有的運(yùn)行條件。另外，還應(yīng)注意，這種行為并不限于 ADS1261；所有精密 ADC上都可以觀(guān)察本文中所述的瞬態(tài)電流。

電源電路選項(xiàng)

瞬態(tài)電流可能導(dǎo)致壓降等問(wèn)題，進(jìn)而可能導(dǎo)致 ADC 運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)電源時(shí)務(wù)必要考慮平均和瞬態(tài)電流需求。下面來(lái)看看三種不同電源選項(xiàng)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)：

? 低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)。TI 建議使用 LDO 為精密 ADC 供電。LDO 具有很多優(yōu)勢(shì)，例如出色的噪聲性能、低電壓紋波以及小而簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式。LDO 最重要的優(yōu)勢(shì)是能夠在瞬態(tài)期間可靠地保持輸出電壓，同時(shí)還提供低靜態(tài)電流。

? 線(xiàn)性穩(wěn)壓器。如果選擇 LDO 會(huì)導(dǎo)致成本過(guò)高，則具有標(biāo)準(zhǔn)壓降電壓的線(xiàn)性穩(wěn)壓器也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。線(xiàn)性穩(wěn)壓器可以在瞬態(tài)期間可靠地保持輸出電壓，同時(shí)還提供與 LDO 類(lèi)似的低靜態(tài)電流。使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器時(shí)的挑戰(zhàn)是壓降電壓明顯更大，這可能需要特定的電壓軌來(lái)為這些器件供電。線(xiàn)性穩(wěn)壓器還往往采用較大的封裝，因?yàn)樗鼈兊男瘦^低并且要散發(fā)的熱量較多。額外的熱量會(huì)導(dǎo)致封閉式系統(tǒng)溫度升高，從而可能導(dǎo)致精密系統(tǒng)出現(xiàn)漂移誤差。

? 并聯(lián)穩(wěn)壓器。并聯(lián)穩(wěn)壓器是其中一種最具成本效益的電源選項(xiàng)。雖然該選項(xiàng)可以節(jié)省成本，但設(shè)計(jì)可靠電源電路的復(fù)雜性也會(huì)增加。例如，需要雙極電源供電的精密 ADC 可以使用低電壓可調(diào)節(jié)并聯(lián)穩(wěn)壓器 TLV431 來(lái)生成 ±2.5V 的電壓軌。您可以使用 TLV431 來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的，因?yàn)樗哂械?VREF。然而，使用該穩(wěn)壓器時(shí)存在一個(gè)挑戰(zhàn)，那就是它只能提供有限的電流。TLV431 數(shù)據(jù)表還要求陰極電流不小于 1mA。這兩個(gè)限制因素限制了圖 5 和圖 6 中所示標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的輸出電流能力。

圖 5. 具有正輸出的限流并聯(lián)穩(wěn)壓器電路。

圖 6. 具有負(fù)輸出的限流并聯(lián)穩(wěn)壓器電路。

圖 5 和圖 6 顯示了陰極電流和提供給 ADC 的電流都必須流經(jīng)電阻器 R1。該配置將電源電流限制為 (VSUP–VREF)/R1，從而帶來(lái)了兩個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。首先，即使未施加負(fù)載，持續(xù)流經(jīng) R1 的電流也會(huì)消耗功率。嘗試降低 R1 來(lái)增加可用電源電流也會(huì)成比例地增加靜態(tài)功耗。其次，R1 設(shè)置的最大電流通常無(wú)法支持 ADC 所需的數(shù)百毫安瞬態(tài)電流。如果無(wú)法提供必要的電流，會(huì)導(dǎo)致電源電壓下降，并可能導(dǎo)致 ADC 運(yùn)行不穩(wěn)定。

通過(guò)在圖 5 和圖 6 中的電路中添加兩個(gè)元件，可以緩解這些問(wèn)題。圖 7 和圖 8 展示了一個(gè)修改后的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路，其中包含一個(gè)晶體管和一個(gè)偏置電阻器 Rb。

圖 7. 改進(jìn)后具有正輸出的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路。

圖 8. 改進(jìn)后具有負(fù)輸出的并聯(lián)穩(wěn)壓器電路。

與圖 5 和圖 6 中的系統(tǒng)相比，圖 7 和圖 8 中的電源電路可以提供更大的電流，因?yàn)榫w管消除了電源輸入 (VSUP) 和輸出 (VOUT) 之間的任何電阻。通過(guò)安裝 Rb 而不是依靠 R1，該新電路還可以保持 ≥1mA 的陰極電流。因此，只需電阻 R1 和 R2，即可設(shè)置輸出電壓，如方程式 1 所示。

方程式1

低功耗系統(tǒng)：斷電還是關(guān)機(jī)？

低功耗 DAQ 系統(tǒng)通常通過(guò)使用多種不同的斷電方法來(lái)實(shí)現(xiàn)省電。一些 ADC 的斷電模式是在其未使用時(shí)置于低功耗狀態(tài)，從而幫助降低系統(tǒng)功耗。ADC 數(shù)據(jù)表中指定了此模式下的電流消耗。另一種常用的節(jié)能技術(shù)是在 ADC 未使用時(shí)直接關(guān)閉電源，并在需要時(shí)重新打開(kāi)電源。此方法在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)不產(chǎn)生功耗。

但是，后一種方法會(huì)受到本文所討論的瞬態(tài)電流的影響，因?yàn)槿魏坞娙萜鞫急仨氃诿看紊想娤码姇r(shí)充電。您可以使用電荷 (Q) 和電流 (I) 的標(biāo)準(zhǔn)公式來(lái)估算電源關(guān)閉時(shí)的系統(tǒng)電流消耗，然后將此值與斷電模式下的 ADC 數(shù)據(jù)表值進(jìn)行比較。

例如，ADS1261 數(shù)據(jù)表建議在 AVDD 和 AVSS 之間并聯(lián) 10μF 和 0.1μF 去耦電容器。該數(shù)據(jù)表還指定 AVDD 必須為 5V。根據(jù)方程式 2 和方程式 3 計(jì)算得出，如果電源每秒上電下電一次，則平均電流為 50.5μA：

方程式 2

方程式 3

其中，C = 10.1μF (10μF + 0.1μF)、V = 5V 且 t = 1s。

根據(jù)表 1 中的綠色突出顯示部分所示，斷電模式下的 ADS1261 斷電電流僅為 8μA（最大值）。比較這兩個(gè)選項(xiàng)可以發(fā)現(xiàn)，使用 ADC 斷電模式所節(jié)省的功耗是關(guān)閉電源時(shí)所節(jié)省功耗的 6 倍以上。因此，必須考慮瞬態(tài)電流對(duì)總體功耗的影響。選擇將 ADC 置于斷電狀態(tài)通常是更節(jié)能的解決方案。