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

duiyutiaoxuangaosushujuzhuanhuanqideshejizheeryan
，gonghaoshizuizhongyaodexitongshejicanshu。wulunshixuyaojiaochangdianchishoumingdebianxiesheji，haishixiaohaorenengjiaoshaodexiaoxingchanpin

，gonghaodouhenguanjian。xitongshejizheguoqudoucaiyongdizaoshengdexianxingwenyaqiweishujuzhuanhuanqigongdian，rudiyachawenyaqi
，erbushi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（用於手機）可最大限度地減少與相鄰低噪聲與功率放大器之間的幹擾，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(zai)一(yi)個(ge)采(cai)用(yong)低(di)壓(ya)差(cha)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)設(she)計(ji)中(zhong)
，隨(sui)著(zhe)電(dian)源(yuan)軌(gui)的(de)下(xia)降(jiang)，穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)壓(ya)差(cha)以(yi)及(ji)可(ke)用(yong)電(dian)源(yuan)軌(gui)對(dui)功(gong)率(lv)效(xiao)率(lv)就(jiu)變(bian)得(de)更(geng)為(wei)重(zhong)要(yao)。電(dian)路(lu)板(ban)的(de)數(shu)據(ju)部(bu)分(fen)通(tong)常(chang)有(you)很(hen)多(duo)電(dian)壓(ya)軌(gui)，為(wei)FPGA和處理器提供各種核心與I/O電壓。而在模擬部分，可能隻有少數"幹淨"的電壓供選擇


，如3.3V和5V.　　

對一個高速數據轉換器來說

，可以用一隻線性穩壓器，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，相當於約35%的功率損失。當采用低壓差穩壓器（如ADS4149）
，從3.3V總線上為一隻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麼關係，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ADCkaiguanzaoshengdeyigeguanjianyuanjianshidianyuanlvboqi，tabaokuoyigetieyangticihuanhepangludianrong。zaixuanzetieyangticihuanshiyingkaolvduogeguanjiantexing。shouxian，tieyangticihuanbixuyouyongyushujuzhuanhuanqidechongzuedingdianliu，tabixuyoudideDCR（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電壓甚至可能低於建議的工作電壓。　　

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。市麵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評估模塊采用了一隻TPS625290開關穩壓器

，開關頻率為2.25MHz（參考文獻2）。由於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濾波器在該頻率範圍內有高阻抗和低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
，雖然諧振頻率並不變化。
 

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）接近於開關頻率。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於開關頻率的諧振，即使是用於一隻傳統鐵氧體磁環
，如EXCML32A680.不過
，在低頻時，如果將其與一隻0Ω電阻放在一起，就沒有那麼大差異了。另一方麵，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隻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於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隻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（無雜散動態範圍）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的實驗室用幹淨電源），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的實驗室用幹淨電源）
，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（開始於輸入信號，繪製的是噪聲與偏移頻率關係圖），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（開始於輸入信號，繪製的是噪聲與偏移頻率關係圖）
，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隻高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，但要付出更高係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，但其總體占位麵積卻可能更小

，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下隻要約2.2μH.
 

表1:轉換器的比較　　

 

反fan之zhi，線xian性xing穩wen壓ya器qi可ke能neng不bu需xu要yao電dian源yuan濾lv波bo，但dan它ta們men也ye有you體ti積ji限xian製zhi，因yin為wei它ta們men通tong常chang要yao耗hao散san更geng多duo功gong率lv。從cong成cheng本ben角jiao度du看kan，開kai關guan穩wen壓ya器qi可ke能neng成cheng本ben略lve高gao，因yin為wei元yuan件jian數shu量liang較jiao多duo。不bu過guo
，增zeng加jia的de效xiao率lv可ke以yi抵di消xiao散san熱re技ji術shu以yi及ji係xi統tong功gong率lv預yu算suan的de成cheng本ben。　　

當(dang)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)者(zhe)尋(xun)求(qiu)更(geng)高(gao)功(gong)率(lv)效(xiao)率(lv)的(de)元(yuan)件(jian)時(shi)

，采(cai)用(yong)將(jiang)高(gao)速(su)數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)電(dian)源(yuan)架(jia)構(gou)改(gai)為(wei)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)方(fang)法(fa)，可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)大(da)量(liang)的(de)能(neng)耗(hao)。你(ni)可(ke)以(yi)用(yong)一(yi)個(ge)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)直(zhi)接(jie)為(wei)一(yi)個(ge)低(di)功(gong)耗(hao)的(de)高(gao)速(su)數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)供(gong)電(dian)
，而(er)不(bu)會(hui)明(ming)顯(xian)降(jiang)低(di)其(qi)AC性能。