为信号链系统创建电源解决方案的全新、更简单的方法
作者：Joseph Viernes,Vincent Gregorio, andAnthony Serquina
信号链系统将vwin 数据从物理世界连接到数字世界，在那里处理数据。然而，为信号链系统供电可能是一个挑战，因为电源不得降低系统的整体性能。线性稳压器可以防止这种性能下降，但代价是功率损耗增加，从而降低效率。另一方面，开关稳压器可显著提高效率，但由于其开关特性，会引入噪声，从而影响信号链系统的性能。ADI公司的信号链电源（SCP）硬件评估平台和SCP配置器配套软件工具允许信号链硬件工程师（无论是否有电源应用经验）以简化、直观的方式为其信号链系统设计电源。
什么是信号链电源（SCP）平台？
SCP平台是硬件和软件的组合，可解决信号链系统电源开发时的挑战。它旨在指导系统设计工程师为其仪器仪表、测试和测量以及工业自动化精密信号链应用提供最佳、最完整的电源解决方案。SCP硬件是一组评估板，在性能、尺寸和成本之间取得了良好的平衡。SCP配置器是该平台的配套软件，为信号链工程师提供建议，帮助他们为其应用选择最佳电源树。SCP平台硬件和SCP配置器的结合为设计工程师提供了一种快速开发信号链电源解决方案的方法。
图1.为信号链开发电源解决方案的传统方法之一是连接多个演示板。另一种方法是使用多个台式电源。这两种方法都会占用大量时间，尤其是在优化解决方案时。
图2.使用 SCP 平台硬件的电源解决方案示例。
信号链电源 （SCP） 硬件评估平台
从数以千计的线性功率™产品，确定了一小部分包含在硬件中。这些产品已用于许多信号链应用，拥有此列表可简化电源产品的选择。它支持多种电源配置，以满足精密信号链的大多数电源要求，可以是升压、降压、升压或降压、反相和双输出升压/反相拓扑。该平台还包括一系列正负LDO稳压器，可用作后置稳压器，以获得更好的系统噪声性能。
图3.SCP-ADP5070-EVALZ双通道DC-DC转换器（左）和SCP-LT3045-1-EVALZ LDO稳压器（右）。
硬件平台中的电路板使用小尺寸的标准尺寸，输入和输出接头具有预定的极性。这些引脚接头的位置经过专门定义，以便能够创建多个电路板组合。电路板设计的这些方面有助于快速测试不同的电路板配置及其性能，同时保持工作空间小巧简单。
图4.LT1956降压型转换器 （左） 和LT3045-1LDO 稳压器 （右） 尽管拓扑结构不同，但具有相同的电路板尺寸。
除了供电，SCP硬件还支持多种功能和特性。这些板在可能需要修改的组件上设计有超大的 0805 焊盘。这些组件包括反馈、补偿、频率设置、软启动、运行和 VIOC 等。这使得返工和设计调整更加方便。一些SCP开关稳压器支持频率同步。外部时钟可以通过 SCP 板上提供的 SMA 连接器馈入 SCP 板。建议的值和配置设置可以在 analog.com 上每个主板的产品页面上找到。
SCP硬件还集成了跟踪功能，通过输入至输出控制电压（VIOC）控制开关前置稳压器，为线性后置稳压器供电。VIOC引脚是该跟踪功能的输出，用于驱动前置稳压器的反馈（FB）引脚，以将LDO稳压器的输入电压保持在V外+ V维奥克.此功能可用于最大限度地降低LDO稳压器的功耗，同时保持其PSRR性能。使用此功能可提高整体效率。
图5.LT3045-1 LDO稳压器上VIOC功能的示例实现。
所有SCP切换器和LDO板都经过配置，以便在系统需要顺序上电和/或关断时，用户可以正确排序每个电源轨。用户可以通过从其系统发送数字高电平或低电平信号来启用或禁用单个电源模块。电源排序器和监控器（如LTC2928）也可用于此功能。包括一个专用接头，用于监控输出并将其设置为所需的电源顺序。
SCP硬件平台还包括板配件，由1×2分线板、1×5分线板、5×1重新集成板、直通板、滤波板、单输入板和单输出板组成。
图6.分线板可用于将单个输入电压分成多个电源轨。
1×2 和 1×5 分线板可用于创建多个并联电压输出轨。在每个输出轨上增加了电流检测和输出滤波功能。
5×1 集成板将多输出轨集成到单个尾纤 DUT 连接器中，并通过 SMA 连接器提供额外的滤波、电流检测、功率和信号测量，以及用于标准输出测量和表征的香蕉插孔。
图7.5×1 集成板将多个电源轨组合成单个连接器分支。
通板用作垫片，以平衡相邻导轨产生的间隙。滤波板也可用作垫片，以防需要额外的无源滤波以获得更好的系统噪声性能。滤波板支持使用 RC、LC、馈通电容器、铁氧体磁珠和其他引脚网络配置。
图8.直通板（左）和滤板（右）。
单输入和输出板可用于单电源轨评估。它们还具有多个接口选项，例如香蕉插孔、抓取器或用于输入和输出表征的 SMA。
图9.使用切换器板、LDO 板以及输入和输出板的电源配置示例。
通过利用SCP硬件平台，系统设计人员可以轻松创建和设计完整的电源解决方案，并快速评估信号链系统的性能。通过SCP电源板的即插即用配置，还可以实现快速简便的电源系统优化。当设计优化完成并准备好集成到最终设计中时，所有工程资料都可以在 analog.com 下载。
信号链电源 （SCP） 配置器
SCP配置器是SCP系列硬件评估板的配套软件工具。它是一个简单直观的图形用户界面（GUI），使设计工程师无论有无电源设计经验，都能为其信号链系统快速生成电源解决方案。
该算法根据用户提供的要求提供电源架构的最佳构建块。应首先确定信号链系统所需的输入电压源、输出电压和预期负载电流值。如果特定电源轨要求低噪声，则提供一个复选框来启用它。这增加了一个LDO后置稳压器，以降低电源轨上的噪声。这又回到了开发信号链电源解决方案时最具挑战性的问题：“多安静才算足够好？
图10中的GUI显示了生成的电源解决方案的结果。它生成电源解决方案的图形显示，帮助用户如何构建电源树并互连所有相关的SCP硬件板系列。提供了每个导轨的可能替代板的列表。这些替代板通过增加输出电流能力来排列。
图 10.SCP配置器软件，具有五个输出轨的生成解决方案。
此外，GUI生成的电源解决方案可以以PDF格式打印。该报告包含输出设计的相同图形表示和每个电源轨的电路板建议列表。报告中添加的是有助于互连电源模块模块块所需的所有附件的列表。还包括快捷方式链接，可将用户重定向到相应的电路板文档，例如但不限于电路板布局设计、物料清单 （BOM） 以及可轻松复制并用作设计参考的原理图。
图 11.生成的 PDF 格式的解决方案报告。
一旦信号链系统的定制电源架构完成，就可以将构建模块拼接在一起，创建一个硬件测试平台，并对整个信号链系统进行性能评估。为了演示SCP平台如何简化信号链电源解决方案的设计和评估过程，该平台将用于设计差分SAR ADC的电源解决方案AD4020。在本例中，SCP平台将为使用AD4020的低漂移、高精度数据采集解决方案CN0513供电。
图 12.CN0513的系统框图，将用于评估SCP硬件的噪声性能。
SAR ADC需要1.8 V电源（VDD）和用于输入/输出接口（VIO）的数字电源。VIO 电源轨可以处理 1.71 V 至 5.5 V 的输入。在本演示中，将3.3 V设置为VIO输入电压。可编程增益仪表放大器（PGIA）使用两个电压轨作为电源引脚+VS和 –VS分别。
要开始使用该平台，SCP配置器需要输入电压要求，为系统生成电源解决方案。将使用 9 V 的标称输入电压。
图 13.SCP 配置器的输入电压要求部分。
SCP配置器还使用系统的电压和电流要求。在本演示中，这些电源轨为1.8 V VDD电源轨、3.3 V VIO电源轨以及PGIA双电源轨的+5.5 V和–1.0 V电源轨。这些输入的电流要求可以从元件的数据手册中获得，如表1所示。PGIA的输入级使用两个ADA4627-1JFET运算放大器，每个放大器的最大功耗为7.8 mA。这导致最大电流为15.6 mA。考虑到PGIA的其他部分，增加了额外的电流，因此+V的最大电流为20 mA。S和 –VS铁轨。这些将被放入GUI中，GUI使用SCP平台硬件生成电源解决方案。还有一个复选框来指示导轨是否具有低噪音要求。进行检查会增加一个LDO稳压器，以改善电源轨的噪声性能。在本演示中，所有电压轨都将满足低噪声要求。
| 电源轨 | 轨道电压 | 最大电流 |
| 电压输出 | 1.80 V | 1.10毫安 |
| 维奥 | 3.30 伏 | 0.30毫安 |
| +VS | 5.50 伏 | 20.0毫安 |
| –VS | –1.00 V | 20.0毫安 |
图 14.SCP 配置器的电源轨要求部分。
SCP配置器产生的电源解决方案如图15所示。还有一个提示，建议仅对1.8 V和3.3 V输出轨使用LDO稳压器。这很重要，因为这在优化电源解决方案时很有用。这背后的原因是，虽然SCP配置器生成一个完整的电源树，但由于硬件的外形尺寸，可以很容易地更改这个电源树。这样可以更快地实施对电源解决方案的更改。
图 15.SCP 配置器根据图 13 和图 14 中的要求生成的电源解决方案。
图 16.提示仅对电源轨 3 和 4（1.80 V 和 3.30 V）使用 LDO 稳压器。
有两种方法可以确定可容忍的电源噪声。第一种方法是了解和量化信号处理负载对电源噪声的敏感性，1这是乏味和复杂的。第二种方法是最佳和实用的方法，即运行快速系统性能评估，其中SCP硬件平台的即插即用系统发挥作用。
为了测量硬件的性能，获得了CN0513噪声指标。波形发生器的1 kHz正弦波用作评估板的输入，并检查ADC采样的正弦波的等效FFT。此过程首先使用板载电源完成，以参考AD4020的性能。之后，SCP平台作为外部电源连接到评估板。每个正电源轨都经过三次检查：使用SCP配置器的建议，仅使用切换台板，仅使用LDO板。另一方面，负电源轨仅使用默认建议进行测试，因为输出电压要求低于负开关稳压器板的最小输出电压，并且负LDO稳压器无法连接到输入正电压。
图 17.使用SCP平台作为外部电源的CN0513的噪声测量。
这些测试证明了不同电源管理IC组合对SAR ADC性能的影响。表2、表3和表4显示了ADC在不同电源轨下的噪声参数。
| 参数 | 切换台 + LDO | 仅切换台 | 仅线性数据多 |
| 动态范围 | 98.165分贝 | 98.434分贝 | 98.362分贝 |
| 无杂散动态范围 （SFDR） | 120.26分贝 | 120.07分贝 | 120.4分贝 |
| 信噪比 （SNR） | 97.39分贝 | 97.66分贝 | 97.59分贝 |
| 总谐波失真 （THD） | –119.67分贝 | –119.5 分贝 | –119.76分贝 |
| 信噪比和失真比 （SINAD） | 97.36分贝 | 97.63分贝 | 97.56分贝 |
| 参数 | 切换台 + LDO | 仅切换台 | 仅线性数据多 |
| 动态范围 | 98.165分贝 | 98.301分贝 | 98.347分贝 |
| SFDR | 120.26分贝 | 119.46分贝 | 119.55分贝 |
| 信 噪 比 | 97.39分贝 | 97.53分贝 | 97.57分贝 |
| 谐波失真 | –119.67分贝 | –118.75分贝 | –118.97分贝 |
| 西纳德 | 97.36分贝 | 97.49分贝 | 97.54分贝 |
| 参数 | 切换台 + LDO | 仅切换台 | 仅线性数据多 |
| 动态范围 | 98.165分贝 | 98.119分贝 | 98.152分贝 |
| SFDR | 120.26分贝 | 120.65分贝 | 120.16分贝 |
| 信 噪 比 | 97.39分贝 | 97.34分贝 | 97.38分贝 |
| 谐波失真 | –119.67分贝 | –120.12分贝 | –119.69分贝 |
| 西纳德 | 97.36分贝 | 97.32分贝 | 97.35分贝 |
分析
从表 2、3 和表 4 中，SCP 硬件板不同配置之间的噪声指标具有可比性。对于5.5 V正电源轨，仅使用切换器板或LDO板本身是一个可能的选择，因为它比同时使用LDO和开关板的配置有所改进。对于1.8 V AD4020电源轨，仅使用LDO板可获得三种配置中最高的动态范围、SNR、SINAD和最低THD。但是，SFDR低于组合开关稳压器和LDO板。3.3 V数字电源轨的数据显示，可以使用所有配置，因为对于每个指标，不同的配置具有最佳测量值。不同电源轨之间的数据彼此比较，但测量中的这些差异会对应用的性能产生很大影响。
如果使用单独的演示板，则使用不同SCP配置对噪声指标的这些观察将花费更多时间。噪声指标的差异会对电源解决方案将要为其供电的信号链产生巨大影响，因此拥有一个能够减少确定系统最佳电源解决方案所需的时间和精力的平台会有所帮助。当考虑噪声指标时，该平台也表现良好，这可以帮助设计人员了解电源解决方案的其他方面，例如效率、成本和解决方案尺寸。
结论
在设计和评估电源解决方案时需要考虑许多因素，并且需要时间来评估其性能。本文通过测量具有不同电源轨配置的CN0513噪声指标来演示信号链电源（SCP）平台，如果使用传统方法，这项任务可能需要大量时间。SCP硬件评估平台和SCP配置器工具可以缓解电源解决方案设计和评估中的许多挑战，从而使任何专业知识水平的信号链系统工程师受益。
审核编辑：郭婷
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