為精密 ADC 供電：平均電流與瞬態(tài)電流

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 周圍的電路和元件會(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。

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。 可靠的系統(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 的工作條件和周圍 電路不同，瞬態(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。我在各 種條件下執(zhí)行了多項(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)類似的電流尖峰。

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┤?何補(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。 我執(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。 我執(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，但我沒(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。有關(guān)如何為任何應(yīng)用選擇合適 LDO 的更多 信息，請(qǐng)參閱下面的相關(guān)網(wǎng)站部分。 • 線性穩(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)壓降電壓的線性穩(wěn)壓器也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。線性 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 類似的低靜態(tài)電流。使用線性穩(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。線性穩(wěn)壓器還往往采用較大的封裝，因 為它們的效率較低并且要散發(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。 Vout = 1 + R1 R2 ×  Vref (1) 有關(guān)如何將電壓基準(zhǔn)用作并聯(lián)穩(wěn)壓器的更多信息，請(qǐng)參閱 下面的相關(guān)網(wǎng)站部分。 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： Q = C  ×  V = 10.1 μF  ×  5 V = 50.5 μC (2) I = Q t = 50.5 μC 1 s = 50.5 μA) (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。