Joseph Viernes, Vincent Gregorio, 和 Anthony Serqui?a

信號鏈系統將物理世界中的模擬數據連接到處理數據的數字世界。然而，為信號鏈系統供電會是一項挑戰，因為電源不可以降低系統的整體性能。線性穩壓器可以防止性能降低，但代價是功率損耗增加，因此效率降低。另一方面，開關穩壓器可顯著提高效率，但其開關特性會引入噪聲，從而影響信號鏈系統的性能。借助ADI公司的 信號鏈電源(SCP) 硬件評估平臺和 配套軟件工具，無論有無電源應用經驗，信號鏈硬件工程師都能簡單直觀地為其信號鏈系統設計電源。

什么是信號鏈電源(SCP)平臺？

SCP平臺是硬件和軟件的結合，可應對為信號鏈系統開發電源時遇到的挑戰。它旨在指導系統設計工程師為其儀器儀表、測試測量、工業自動化精密信號鏈應用提供優異且完整的電源解決方案。SCP硬件是一組評估板，其在性能、尺寸和成本方面取得了良好的平衡。該平臺的配套軟件SCP Configurator為信號鏈工程師提供建議，幫助他們選擇最適合其應用的電源樹。SCP平臺硬件和SCP Configurator的結合為設計工程師提供了一種快速開發信號鏈電源解決方案的方法。

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

我們從數千款Power by Linear?產品中，挑選出了一小部分可用于該硬件方案的產品列表。這些產品已在許多信號鏈應用中使用，在此列表中進行挑選可簡化電源產品的選擇。它支持多種電源配置，可滿足精密信號鏈的大部分電源要求，信號鏈可以采用升壓、降壓、升降壓、反相和雙輸出升壓/反相拓撲結構。該平臺還包括一系列可用作后置穩壓器以提高系統噪聲性能的正負LDO穩壓器。

圖3. SCP-ADP5070-EVALZ雙通道DC-DC轉換器（左）和 SCP-LT3045-1-EVALZ LDO穩壓器（右）

硬件平臺中的電路板使用標準尺寸，外形很小，附帶的輸入和輸出接頭具有預定的極性。這些引腳接頭的位置定義明確，支持創建多種板組合。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，同時保持小而簡單的工作空間。

圖4. 雖然拓撲結構不同，但 LT1956降壓轉換器（左）和 LT3045-1穩壓器（右）具有相同的電路板尺寸

除供電外，SCP硬件還支持其他多種功能和特性。電路板在可能需要修改的器件上設計有超大的0805焊盤。這些器件包括反饋、補償、頻率設置、軟啟動、運行和VIOC等。這使得返工和設計調整更加方便。一些SCP開關穩壓器支持頻率同步。使用SCP板上提供的SMA連接器，可以通過該板饋送外部時鐘。推薦值和配置設置可以在analog.com上每種板的產品頁面上找到。

SCP硬件還集成了跟蹤功能，可通過輸入到輸出控制電壓(VIOC)控制為線性后置穩壓器供電的開關前置穩壓器。VIOC引腳是此跟蹤功能的輸出，其驅動前置穩壓器反饋(FB)引腳以將LDO穩壓器輸入電壓保持在VOUT + VVIOC。該功能可用于最大限度地降低LDO穩壓器的功耗，同時維持其PSRR性能。使用此功能可提高整體效率。

圖5. 在LT3045-1 LDO穩壓器上實現VIOC功能的示例

所有SCP開關穩壓器和LDO板都經過配置，以便在系統需要以某種順序上電和/或關斷時，用戶可以正確地控制每個電源軌的時序。用戶可以從系統發送數字高或低電平信號，以使能或禁用各電源模塊。也可以使用電源時序控制器和監控器（如 LTC2928）來實現此功能。電路板有一個專用接頭，用于監視輸出并將其設置為所需的電源序列。

SCP硬件平臺還包含板配件，包括1×2分線板、1×5分線板、5×1重整板、通板、濾板、單輸入板、單輸出板。

圖6. 分線板可用于將單個輸入電壓分成多個軌

1×2和1×5分線板可用來創建多個并行電壓輸出軌。每個輸出軌上都添加了電流檢測和輸出濾波功能。

5×1重整板將多輸出軌組合成單個引出端DUT連接器，通過SMA連接器提供額外的濾波、電流檢測、功率和信號測量，并提供了香蕉插口以用于標準輸出測量和表征。

圖7. 5×1重整板將多個電源軌組合成單個連接器分線板

通板用作墊片，以平衡相鄰電源軌產生的間隙。濾板也可用作墊片，當需要額外的無源濾波以獲得更好的系統噪聲性能時可以使用。濾板支持使用RC、LC、直通電容、鐵氧體磁珠和其他引腳網絡配置。

圖8. 通板（左）和濾板（右）

單輸入和輸出板可用于單電源軌評估。它們還有多種接口選項，例如香蕉插口、采集器或SMA，以用于表征輸入和輸出特性。

圖9. 使用開關穩壓器板、LDO板、輸入和輸出板的電源配置示例

利用SCP硬件平臺，系統設計人員可以輕松創建和設計完整的電源解決方案，并快速評估信號鏈系統的性能。SCP電源板的即插即用配置還實現了快速簡便的電源系統優化。當設計優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) Configurator

SCP Configurator是SCP系列硬件評估板的配套軟件工具。它有一個簡單直觀的圖形用戶界面(GUI)，無論有無電源設計經驗，設計工程師都能快速為其信號鏈系統生成電源解決方案。

算法根據用戶提供的要求產生電源架構的最佳構建模塊。首先應確定信號鏈系統需要的輸入電壓源、輸出電壓和預期負載電流值。如果特定電源軌要求低噪聲，則提供一個復選框并選中它。這會增加一個LDO后置穩壓器以降低電源軌上的噪聲。這又回到了為信號鏈開發電源解決方案時最具挑戰性的問題：“噪聲低到什么程度才算好？”

圖10中的GUI顯示了生成的電源解決方案結果。它提供所生成電源解決方案的圖形展示，以幫助用戶構建電源樹并互連所有相關的SCP硬件板系列。它還提供每個電源軌的可能替代板列表。這些替代板按輸出電流能力提升的順序來排列。

圖10. SCP Configurator軟件，圖中生成的解決方案具有五個輸出軌

此外，GUI生成的電源解決方案可以PDF格式打印。報告包含同樣的輸出設計圖形表示和每個電源軌的電路板建議列表。報告中增加的內容是幫助互連電源模塊所需的所有附件清單。報告還包括將用戶重定向到相應電路板文檔的快捷鏈接，例如（但不限于）電路板布局設計、物料清單(BOM)、可輕松復制并用作設計參考的原理圖。

圖11. 生成的PDF格式解決方案報告

工作原理

一旦完成信號鏈系統的定制電源架構，就可以將構建模塊拼接在一起創建硬件測試平臺，并對整個信號鏈系統進行性能評估。為了展示SCP平臺如何簡化信號鏈電源解決方案的設計和評估過程，我們將使用該平臺來為 AD4020差分 SAR ADC設計電源解決方案。在本例中，SCP平臺將為 CN0513供電，后者是一款使用AD4020的低漂移、高精度數據采集解決方案。

圖12. CN0513的系統框圖，其將用于評估SCP硬件的噪聲性能

SAR ADC需要一個1.8 V電源(VDD)和一個用于輸入/輸出接口(VIO)的數字電源。VIO電源軌可以處理1.71 V至5.5 V的輸入。在本演示中，VIO輸入電壓設置為3.3 V。可編程增益儀表放大器(PGIA)分別為電源引腳+VS和–VS使用兩個電壓軌。

為了開始使用該平臺，SCP Configurator需要一個輸入電壓要求來為系統生成電源解決方案。我們使用9 V的標稱輸入電壓。

圖13. SCP Configurator的輸入電壓要求部分

SCP Configurator還使用系統的電壓和電流要求。在本演示中，這些將是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。這些輸入的電流要求可以從器件的數據手冊中獲得，如表1所示。PGIA輸入級使用兩個 ADA4627-1JFET運算放大器，每個最大消耗7.8 mA電流。因此，最大電流為15.6 mA。考慮到PGIA的其他器件，需要增加一定的電流，導致+VS和–VS軌的最大電流為20 mA。這些將被放入GUI中，以便生成采用SCP平臺硬件的電源解決方案。還有一個復選框，指示電源軌是否有低噪聲要求。若勾選，將會添加一個LDO穩壓器來改善電源軌的噪聲性能。對于本演示，所有電壓軌都有低噪聲要求。

圖14. SCP Configurator的電源軌要求部分

SCP Configurator生成的電源解決方案如圖15所示。還有一個提示，建議對1.8 V和3.3 V輸出軌僅使用LDO穩壓器。這很重要，因為這對于優化電源解決方案很有用。其背后的原因是，當SCP Configurator生成完整的電源樹時，可以根據硬件的外形尺寸輕松更改此電源樹。這樣就能更快地實施對電源解決方案的變更。

圖16. 建議對電源軌3和4（1.80 V和3.30 V）僅使用LDO穩壓器的提示

有兩種方法可以確定對電源噪聲的容限。第一種方法是了解并量化信號處理負載對電源噪聲的敏感度1，這很繁瑣且復雜。第二種方法是一種優化且實用的方法，即運行快速系統性能評估，這就要用到SCP硬件平臺的即插即用系統。

為了衡量硬件的性能，我們獲得了CN0513噪聲指標。來自波形發生器的1 kHz正弦波用作評估板的輸入，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，以用作AD4020性能的參考。然后，將SCP平臺作為外部電源連接到評估板。對每個正電源軌檢查三次：使用SCP Configurator的建議，僅使用開關穩壓器板，僅使用LDO板。另一方面，對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穩壓器板的最小輸出電壓，并且負LDO穩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

這些不同測試展示了電源管理IC的不同組合對SAR ADC性能的影響。表2、表3和表4顯示了不同電源軌的ADC噪聲參數。

分析

從表2、表3和表4可以看出，SCP硬件板的不同配置之間的噪聲指標相當。對于5.5 V正電源軌，僅使用開關穩壓器板或LDO板本身是一種可能的選擇，因為已經證明，它相對于同時使用LDO和開關穩壓器板的配置有所改善。對于1.8 V AD4020電源軌，在三種配置中，僅使用LDO板的配置產生了最高的動態范圍、SNR、SINAD和最低的THD。然而，其SFDR低于開關穩壓器和LDO板的組合配置。3.3 V數字電源軌的數據表明，所有配置都可以使用，因為對于每個指標，不同配置的測量結果都非常好。不同電源軌的數據是可以相互比擬的，但測量值的這些差異可能會對應用性能產生很大影響。

對于使用不同SCP配置的噪聲指標的這些測量，如果使用單獨的演示板來進行，將需要更長時間。電源解決方案為信號鏈供電，噪聲指標的差異會對信號鏈產生巨大影響，因此擁有一個能夠減少確定系統最優電源解決方案所需時間和精力的平臺是很有幫助的。當考慮噪聲指標時，該平臺也表現良好，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。

結論

當設計和評估電源解決方案時，需要考慮很多因素，而且需要時間來評估其性能。本文通過測量不同電源軌配置下CN0513的噪聲指標來展示信號鏈電源(SCP)平臺。如果使用傳統方法，這項任務可能需要大量時間。 SCP 硬件評估平臺和 SCP Configurator工具可以消解電源解決方案設計和評估中的許多挑戰，任何專業水平的信號鏈系統工程師都能從中受益。

審核編輯：郭婷