原创 为流水线ADC设计一个电源解决方案-第1部分

作者：Xavier Ramus

在我之前的文章中，我曾经讨论过如何设计一个在真实环境中使用的电源。今天，我们使用所掌握的模数转换器 (ADC) 电源抑制 (PSR) 与信噪比 (SNR) 的相关知识，连同需要消除的DC/DC转换器频率组成，来尽可能找到一款最佳的电源解决方案。“最佳”不仅仅指的是性能，同时也包括印刷电路板 (PCB) 面积以及解决方案成本。

在题为“”的文章中，我评价了最小负载中等电流DC/DC转换器所带来的影响。虽然这不是个最划算的方法，并且会占用很多宝贵的PCB面积，但DC/DC转换器对于系统的影响的确是最小的。不过，当ADC和一个额外的2A负载共用3A DC/DC转换器时，会对系统有什么影响呢？基于我之前的文章，我将使用四输出14位，125MSPS ADC3444和具有低压降稳压器 (LDO) 的双输出TPS54120 DC/DC，先将LDO禁用，只使用TPS54120 DC/DC转换器。

我们首先为已加电的TPS54120 DC/DC转换器建立一个基线。图1显示的是时域响应的快速傅立叶变换 (FFT)，y轴为分贝毫瓦的幅值，x轴表示的是频率。

图1：TPS54120 DC/DC转换器频率组成与负载之间的关系

开关频率的幅值，连同负载都在增加。例如，从零负载变为2A负载时，500kHz开关频率功率从-58dBm增加到-38dBm。谐波中出现的功率也在增加。在时域中，这将表现为峰值到峰值电压的增加。

用电压为1.8V的TPS54120 DC/DC转换器（后面连接了一个π滤波器）为DVDD供电（同时用TPS7A47 LDO稳压器来为AVDD供电），我将结果与基准FFT进行了比较。基准FFT由电池供电，每个AVDD和DVDD均有一个TPS7A47稳压器为其供电，主要原因在于：不会在DC/DC转换器上出现额外负载，以及一个2A的外部负载。请见图2。

图2：不同负载下，DVDD上带有铁氧体磁珠的TPS54120 DC/DC转换器比较图

正如所预期的那样，性能下降主要出现在开关频率方面。令人感到意外的是，在4MHz至8MHz频带内出现10dB降级，而在大约19.8MHz频率时的降级为5dB。这个由更加糟糕的DVDD电源所造成的性能下降与DC/DC转换器负载电流的关系不大。

尽管ADS3444对于其DVDD电源有较高的PSR，在这里也不要使用DC/DC转换器。需牢记的是，PSR测量使用的是一个具有较低相位噪声的单正弦波，而DC/DC转换器既没有良好的相位噪声，也不支持较低失真。图1显示出DC/DC转换器开关频率的谐波失真项为，HD2为-20dBc，HD3为-30dBc，HD4和HD5为-35dBc。如图3所示，开关的糟糕相位噪声与出现在开关频率上的谐波是FFT内出现新的尖峰脉冲的主要原因。尽管铁氧体磁珠和ADS3444的本地旁通电容器设定了一个32kHz低通滤波器，这些额外的尖峰脉冲仍然会出现。

图3：DVDD上带有铁氧体磁珠的DVDD比较详情

通过观察图3中的DC—5MHz频带，你会发现我在题为“使用DC/DC转换器为ADC供电”的文章中对于PSR的解释是正确的。在这个频率频带中，2A负载的确在DC/DC开关频率中产生较高的尖峰脉冲，这与图1一致。图4显示的是AVDD电源比较。

输出上带有简单π滤波器的DC/DC转换器对于AVDD电源的影响与对于DVDD电源的影响具有某些相似性，此时DC上出现尖峰脉冲，在4MHz至8MHz频带内，并在信号频率附近。

由于AVDD电源比DVDD电源更加灵敏，相对于DVDD，AVDD的性能下降会更为严重，并且会在DC/DC转换器上的负载电流增加时下降得更快。受影响的频率频带范围也会更加广泛，此时噪声频率出现在大约10MHz和46MHz上。

过滤掉由DC/DC电源产生的有害噪声频率是有可能实现的，但是这需要在每个电源上用到多个π滤波器，这就占用了ADC周围宝贵的PCB面积。

图5：DC至5MHz频率频带范围内，不同负载条件下，AVDD上带有铁氧体磁珠的TPS54120 DC/DC比较

图5显示的是DC至5MHz频率频带的详细信息。π滤波器有效地削减了过热和纹波噪声。然而，这个解决方案随着负载电流不断增加而归于失败。别忘了，基准FFT信号使用的可是低噪声电池，并将高电源抑制比 (PSRR) LDO (TPS7A47) 作为AVDD和DVDD电源的哟。

图6：15.6MHz至23.8MHz频率频带范围内，不同负载条件下，AVDD上带有铁氧体磁珠的TPS54120 DC/DC比较

图6显示了信号频率附近出现的详细情况。仔细观察曲线图会发现，每个尖峰脉冲并不是源自电源，它们全都以基准测量值的形式出现，并且不与DC/DC转换器的开关频率（大约为500kHz）相对应。需要注意的是，DC/DC转换器糟糕的相位噪声和谐波失真与ADC尖峰脉冲相互作用。

在19.8MHz信号频率附近大约500kHz范围内没有出现噪声频率，这表明π滤波器与较低的输入信号 (-17dBFS) 组合发挥了足够的作用。

正如我在这一系列文章第一部分中所表述的那样，用DC/DC转换器为高性能流水线转换器供电将大大地降低SNR与无杂散动态范围 (SFDR) 的性能。在第二部分中，我将演示正确的DC/DC转换器后置滤波实现方式，并且将获得的结果与理想电源进行比较。

如果你错过了本系列文章中的任何一篇，请在为ADC创建一个电源链接内阅读其它博客文章。

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/09/03/designing-a-power-supply-solution-for-pipeline-adcs-part-1