為精密 ADC 供電：平均電流與瞬態(tài)電流

引言 了解模數轉換器 (ADC) 數據表電源參數可以幫助您設計更 可靠的精密數據采集 (DAQ) 系統(tǒng)。具體來說，務必要了解 ADC 數據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 幾個數量級，但這些測量的電流值并不能表征瞬態(tài)電流需 求。在不同的 ADC 工作模式之間轉換時，可能會出現瞬態(tài) 電流，并且瞬態(tài)電流在最初為器件供電時最為顯著。此 外，ADC 周圍的電路和元件會導致額外的瞬態(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 數據表如何指定電流，然后分享幾個測試的結 果，這些測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 數據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 需要指定多個電流值。 這些條件可能包括 ADC 平均電源電流，該電流會相對于數 據速率進行調節(jié)，或者在啟用可編程增益放大器 (PGA) 或 電壓基準 (VREF) 等內部功能時電流需求會增加。例如，表 1 顯示了 TI ADS1261 在不同工作條件下的數據表電源規(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”部分表示啟用每個功能時電流增加了多少。所有這 些電源電流規(guī)格都是通過在電流穩(wěn)定后測量器件消耗的平 均電流來表征的。 因此，數據表電源規(guī)格對器件或支持電路在正常運行期間 所需的任何瞬態(tài)電流需求取平均值。這很重要，因為啟動 和開關期間的瞬態(tài)電流可能明顯大于數據表中指定的值。 可靠的系統(tǒng)設計必須能夠應對平均和瞬態(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)時間可能會有很大差 異。因此，ADC 數據表很少指定瞬態(tài)電流。然而，通過使 用示波器探測與電源走線串聯的小電阻，可以測量給定系 統(tǒng)配置下的瞬態(tài)電流。然后，您可以使用歐姆定律來確定 產生的電流。 ADS1261 具有一個評估模塊 (EVM)，該模塊在電源輸出和 ADC AVDD 引腳之間集成了一個小阻值電阻。圖 1 展示了 包含 10Ω 測量電阻器 (R33) 的相關部分 EVM 原理圖。通 過測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)行了多項測試，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)電流測試電路。 第一個瞬態(tài)電流測試是上電測試，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測得的瞬態(tài)電流。 根據表 1 中的 ADS1261 電源規(guī)格，PGA 禁用時的平均電 流為 2.7mA（典型值）或 4.5mA（最大值）。然而，圖 2 中的藍色箭頭指向 ADS1261 最初加電時出現的 250mA 瞬 態(tài)尖峰。此瞬態(tài)是數據表中規(guī)定的典型電流的 90 倍以 上、最大電流的 55 倍以上。當 ADC 發(fā)生任何狀態(tài)變化 時，也可能會出現類似的電流尖峰。

中的綠色箭頭指示為去耦電容器充電所需的第二個瞬 態(tài)電流。在正常工作條件下，去耦電容器會存儲補充電 荷，以便在發(fā)生瞬變時提供額外電流。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，當系統(tǒng)上電時，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，從而會導致大浪涌電流。浪涌電流的幅度隨著去耦電 容器值的增加而增大。 為了僅測量 ADC 所需的瞬態(tài)電流，第二個瞬態(tài)電流測試移 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測得的瞬態(tài)電流。 圖 1 中的 45mA 瞬態(tài)尖峰僅表示 ADC 因開關而需要的上 電電流。正如預期的那樣，與在安裝去耦電容器的情況下 會出現 250mA 尖峰相比，僅 ADC 時的瞬態(tài)電流會更小。 不過，雖然這樣會降低瞬態(tài)電流的幅度，但代價是 ADC 達 到穩(wěn)態(tài)電流所需的時間明顯延長，因為電容器不再提供任 何補充電荷。此外，這個 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)行了第三組測試，以驗證不同的功能也會導致瞬態(tài)電 流尖峰。啟用 ADS1261 VREF 就是這種會產生尖峰的功 能。圖 4 顯示了此瞬態(tài)電流的觀察行為。
圖 4. 在啟用 ADS1261 VREF 時測得的瞬態(tài)電流。 根據表 1，ADS1261 VREF 的典型電流為 0.2mA。在 PGA 禁用 (2.7mA) 且內部 VREF 啟用的情況下運行 ADC 時，應 該產生 2.9mA 的總電流。然而，圖 4 中測得的瞬態(tài)電流為 60mA，比預期值大 20 倍以上。此瞬態(tài)電流主要來源于為 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 中存在一個有趣的特性，那就是電流需求在整個瞬態(tài) 脈沖中基本上一直保持在 60mA。此行為是 ADS1261 內 部 VREF 中設計的固有電流限制造成的，這有助于在 REFOUT 引腳接地短路時保護 ADC。 我執(zhí)行了一些額外的功能測試，這些測試沒有顯示任何可 測量的瞬態(tài)電流，但我沒有測試所有的運行條件。另外， 還應注意，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 瞬態(tài)電流可能導致壓降等問題，進而可能導致 ADC 運行不 穩(wěn)定。因此，設計電源時務必要考慮平均和瞬態(tài)電流需 求。下面來看看三種不同電源選項的優(yōu)勢和挑戰(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，例如出色的噪聲性能、低電 壓紋波以及小而簡單的實現方式。LDO 最重要的優(yōu)勢 是能夠在瞬態(tài)期間可靠地保持輸出電壓，同時還提供低 靜態(tài)電流。有關如何為任何應用選擇合適 LDO 的更多 信息，請參閱下面的相關網站部分。 • 線性穩(wěn)壓器。如果選擇 LDO 會導致成本過高，則具有 標準壓降電壓的線性穩(wěn)壓器也是一個不錯的選擇。線性 穩(wěn)壓器可以在瞬態(tài)期間可靠地保持輸出電壓，同時還提 供與 LDO 類似的低靜態(tài)電流。使用線性穩(wěn)壓器時的挑 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 會導致封閉式系統(tǒng)溫度升高，從而可能導致精密系統(tǒng)出 現漂移誤差。 • 并聯穩(wěn)壓器。并聯穩(wěn)壓器是其中一種最具成本效益的電 源選項。雖然該選項可以節(jié)省成本，但設計可靠電源電 路的復雜性也會增加。例如，需要雙極電源供電的精密 ADC 可以使用低電壓可調節(jié)并聯穩(wěn)壓器 TLV431 來生 成 ±2.5V 的電壓軌。您可以使用 TLV431 來實現此目 的，因為它具有低 VREF。然而，使用該穩(wěn)壓器時存在 一個挑戰(zhàn)，那就是它只能提供有限的電流。TLV431 數 據表還要求陰極電流不小于 1mA。這兩個限制因素限 制了圖 5 和圖 6 中所示標準設置的輸出電流能力。
圖 5. 具有正輸出的限流并聯穩(wěn)壓器電路。
圖 6. 具有負輸出的限流并聯穩(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 流經電阻器 R1。該配置將電源電流限制為 (VSUP– VREF)/R1，從而帶來了兩個設計挑戰(zhàn)。首先，即使未施加 負載，持續(xù)流經 R1 的電流也會消耗功率。嘗試降低 R1 來 增加可用電源電流也會成比例地增加靜態(tài)功耗。其次，R1 設置的最大電流通常無法支持 ADC 所需的數百毫安瞬態(tài)電 流。如果無法提供必要的電流，會導致電源電壓下降，并 可能導致 ADC 運行不穩(wěn)定。 通過在圖 5 和圖 6 中的電路中添加兩個元件，可以緩解這 些問題。圖 7 和圖 8 展示了一個修改后的并聯穩(wěn)壓器電 路，其中包含一個晶體管和一個偏置電阻器 Rb。

圖 7. 改進后具有正輸出的并聯穩(wěn)壓器電路。 圖 8. 改進后具有負輸出的并聯穩(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，因為晶體管消除了電源輸入 (VSUP) 和輸出 (VOUT) 之間的任何電阻。通過安裝 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，即可設置輸出電壓，如方程式 1 所示。 Vout = 1 + R1 R2 ×  Vref (1) 有關如何將電壓基準用作并聯穩(wěn)壓器的更多信息，請參閱 下面的相關網站部分。 低功耗系統(tǒng)：斷電還是關機？ 低功耗 DAQ 系統(tǒng)通常通過使用多種不同的斷電方法來實 現省電。一些 ADC 的斷電模式是在其未使用時置于低功耗 狀態(tài)，從而幫助降低系統(tǒng)功耗。ADC 數據表中指定了此模 式下的電流消耗。另一種常用的節(jié)能技術是在 ADC 未使用 時直接關閉電源，并在需要時重新打開電源。此方法在系 統(tǒng)關閉時不產生功耗。 但是，后一種方法會受到本文所討論的瞬態(tài)電流的影響， 因為任何電容器都必須在每次上電下電時充電。您可以使 用電荷 (Q) 和電流 (I) 的標準公式來估算電源關閉時的系統(tǒng) 電流消耗，然后將此值與斷電模式下的 ADC 數據表值進行 比較。 例如，ADS1261 數據表建議在 AVDD 和 AVSS 之間并聯 10μF 和 0.1μF 去耦電容器。該數據表還指定 AVDD 必須 為 5V。根據方程式 2 和方程式 3 計算得出，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）。比較這兩個選項 可以發(fā)現，使用 ADC 斷電模式所節(jié)省的功耗是關閉電源時 所節(jié)省功耗的 6 倍以上。因此，必須考慮瞬態(tài)電流對總體 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。