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ADI | 为什么电压转换器有助于提升电池效率和延长使用寿命 本文介绍如何在现有系统中添加nanopower转换器以延长器件的电池寿命，从而将电池运行时间延长多达20%。 采用电池供电的电路必须具备高能效，这样电池才能长时间持续供电。为此，应当选择节能型元器件并将其整合到系统中。电路中的构建模块越少，整个系统的能效就越高。图1所示的电水表就是一种电池供电设备。该系统采用 MAX32662 微控制器，仅有一个电源电压。输入电压介于1.71 V和3.63 V之间。 图1. 电池供电水表中集成固定电压稳压器的微控制器 微控制器可以直接由电池供电，电池根据温度和充电状态提供2 V至3.6 V的电压。电路中只需要很少的额外元件，因此可实现非常高的整体系统效率。然而，微控制器的电流消耗在很大程度上与实际电源电压无关。微控制器的工作电压是2 V还是3.6 V，对此IC都没有影响。 对于类似这样的情况，可以使用新型nanopower开关稳压器。此类开关稳压器可以将电池电压高效转换为较低值，例如2 V。nanopower开关稳压器在输出端为微控制器提供所需的电流，但电池侧电压越高，需要的电流越小。图2显示了添加高效nanopower开关稳压器 MAX38650后的水表电路。 图2. 添加nanopower稳压器 添加此IC后，可显著延长电池寿命。电池寿命可轻松延长20%或更多。由于影响参数众多，例如温度、峰值电流、传感器周期性关闭等，确切的节能效果因情况而异。这里起决定性作用的是添加的DC-DC转换器的静态电流。如果开关稳压器的能耗太大，预期的节能收益就会消失。 图3显示了一个采用MAX38650 nanopower稳压器的电路。买电子元器件现货上唯样商城。顾名思义，该IC的静态电流为纳安级。运行期间，开关稳压器仅消耗390 nA的静态电流。当DC-DC转换器可以关断时，它只需要5 nA的关断电流。这种nanopower电压转换器非常适合在类似图1所示的系统中实现节能。 图3. nanopower稳压器电路 如图3所示，电路仅需要少量无源外部元件。仅使用RSEL引脚上的一个电阻来设置输出电压，并未使用电阻分压器。电阻分压器会消耗相当多的电流，根据电压和电阻的不同，此电流可能大大超过MAX38650的静态电流。因此，该IC使用可变电阻，仅在电路接通时短暂检查此电阻。该IC通过以下方式检测设定点输出电压值：在接通期间的短时间内，使200 µA的电流流过该可变电阻。然后测量所产生的电压，并将其存储在IC内部。这意味着，在通过常规分压器运行期间不会有能量损失。 通过添加电压转换器，可以提高系统效率并延长电池续航时间。

ADI | 开创性的5kV ESD MEMS开关技术了解一下 微机电系统 (MEMS) 开关具有创新性，可以替代继电器并将行业推向更高水平。 解决大问题需要开创性的技术，机电继电器早在电报问世之初就已存在，但没有其他替代的开关技术可满足所有市场需求——特别是对于测试和测量、通信、防务、医疗保健和消费类市场中智能性和互联性更强的应用需求。作为不断增长的市场需求的一个例子，测试和测量终端用户要求多标准测试解决方案的尺寸尽可能最小，在0 Hz/dc至数百GHz的频率范围内需要实现较高并行测试。机电继电器的带宽窄、动作寿命有限、通道数有限以及封装尺寸较大，因此对系统设计人员的限制日益增大。 微机电系统 (MEMS) 开关具有创新性，可以替代继电器并将行业推向更高水平。 凭借内部先进的MEMS开关制造设备，ADI公司目前可以批量生产高性能的快速小型MEMS开关，此类开关的特点是机械耐用、功耗低且具有静电放电 (ESD) 保护功能。 MEMS开关技术 ADI MEMS开关技术的关键是静电驱动的微机械加工黄金悬臂梁开关元件概念。可以将MEMS开关视作微米尺度的机械继电器，其金属对金属触点通过高压直流静电驱动。图1显示了单个MEMS开关悬臂的特写图。其中可看到并联的的五个触点和具有下面有空隙的铰链结构。这一开关设计用于 ADGM1304 单刀四掷 (SP4T) MEMS开关和具有增强型ESD保护性能的 ADGM1004 SP4T开关。 图1. 特写图显示了一个MEMS悬臂开关梁。 ADI设计了一个配套驱动器集成电路 (IC)，以产生驱动开关所需的高直流电压，保证快速可靠的驱动和长使用寿命，并使器件易于使用。图2显示了采用超小型SMD QFN封装的MEMS芯片和驱动器IC。被封装在一起的驱动器功耗非常低——典型值为10 mW，比RF继电器的典型驱动器要求低10倍。 图2. ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关。 集成ESD保护 借助ADGM1304 MEMS开关产品，ADI开发了ADGM1004 MEMS开关，通过集成固态ESD保护技术来增强RF端口ESD性能。ADGM1004开关的RF端口人体模型 (HBM) ESD额定值已增加到5 kV。这个级别的ESD保护可谓MEMS开关行业较早使用。 集成式固态ESD保护是专有的ADI技术，可实现非常高的ESD保护同时对MEMS开关RF性能影响最小。图3显示了采用SMD QFN封装的ESD保护元件。其中，芯片安放在MEMS芯片上，通过焊线连接至封装的RF引脚。这些都是针对RF和ESD性能进行了优化。 图3. ADGM1004驱动器IC（左）和MEMS开关芯片（右），带RF端口ESD保护芯片安放在MEMS管芯之上并线焊至金属引线框架。 为了实现ADGM1004产品，ADI将三种专有光刻技术与组装和MEMS封盖技术相结合，以实现这一性能突破。 RF和0 Hz/DC性能 MEMS开关的优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了0 Hz/dc 精密性和宽带RF性能。图4显示了ADGM1004单刀四掷 (SP4T) MEMS 开关的实测插入损耗和关断隔离性能。插入损耗在2.5 GHz时仅为0.45 dB，在带宽高达13 GHz时为–3 dB。RF功率处理额定值为32 dBm（无压缩），三阶交调截点 (IP3) 线性度在频率范围内恒定为67 dBm（典型值），频率极低时无性能降低。 图4. ADGM1004 MEMS开关RF性能线性标度＜10 MHz。 ADGM1004 MEMS开关设计为0 Hz/dc精密应用提供极高的性能。表1 列出了这些重要规格。 表1. ADGM1004精度规格I 表1列出了HBM ESD额定值，RF端口的额定值为5 kV HBM，相比 ADGM1304器件的100V HBM有大幅提升。这提高了人工处理ESD敏感型应用的易用性。 表2. ADGM1004精度规格II 无论什么市场，小尺寸解决方案都是一项关键要求。图5利用实物照片比较了ADGM1004 SP4T MEMS开关的封装设计与典型DPDT机电继电器的尺寸，ADGM100体积缩小了高达95%。 图5. ADGM1004 MEMS开关（四开关）与典型机电式RF继电器（四开关）的比较。 最后，为了帮助系统设计人员，我们对ADGM1004开关的热切换寿命（进行RF功率传输时对通道进行切换）进行了特性化测试。图6显示了进行2 GHz、10 dBm RF信号热切换时的寿命概率。样本测试的故障前平均循环次数 (T50) 为34亿次。更高的功率测试结果，请参见ADGM1004数据手册。 图6. 10 dBm RF信号热切换时95%置信区间 (CI) 下的对数正态故障概率。 结语 具有开创性的增强型ESD保护性能的ADGM1004 MEMS开关可以大幅提高易用性，同时在RF应用和0 Hz/dc应用中都能保持卓越的开关性能。ADI的MEMS开关技术具有从0 Hz/dc开始的优良的带宽性能，相比RF继电器，MEMS开关的体积缩小多达95%，可靠性提升10倍，速度提升30倍，功耗降低10倍。ADGM1004 MEMS开关为ADI公司性能优异的开关产品阵营又添异彩。买电子元器件现货上唯样商城

利用软件可配置I/O应对工业4.0挑战 本文介绍一种软件可配置输入/输出(I/O)器件及其专用隔离电源和数据解决方案，该解决方案有助于应对传统模拟信号与工业以太网的桥接挑战。本文阐明了软件可配置I/O器件固有的通道灵活性、故障检测和诊断功能方面的优势。本文还给出了系统级评估结果，展示了系统解决方案的整体优势，包括系统稳健性和功耗。 引言 工业以太网的进步使得工厂的智能互联制造成为可能。现场仪器仪表必须使用传统模拟信号（即4至20 mA、0 V至10 V）连接到以太网域。这对固定功能的I/O模块提出了挑战。系统设计人员需要设计多个模块来覆盖不同的 传感器 和执行器。然而，固定 功能模块 中的某些通道可能未被使用，成为多余通道。软件可配置I/O模块支持有效使用I/O系统中的所有通道。拥挤的布线可能导致传感器和执行器与这些固定功能I/O的连接不正确。调试和排除这些故障非常耗时，并且需要手动将负载重新连接到I/O通道。 软件可配置I/O系统提供从传统模拟信号到工业以太网域的无缝过渡。软件可配置I/O器件可通过远程配置在任意通道上提供任意功能（模拟I/O、数字I/O、RTD），有助于简化调试。这种灵活性与诊断功能相结合，支持远程故障排除，从而节省技术人员的时间和精力。图1显示了工业连接从传统模拟信号到智能数字连接传感器的演变，而软件可配置I/O支持无缝过渡。 ADI公司的AD74413R软件可配置I/O与ADP1032 2通道隔离式微功耗管理单元(µPMU)的结合，是稳健的软件可配置I/O解决方案的一个范例。 AD74413R是一款四通道软件可配置I/O，具备自动故障检测和诊断功能。ADP1032专为AD74413R量身定制，提供隔离电源和数据通道，从而实现紧凑型隔离式软件可配置I/O系统。 通道灵活性 对于I/O要求各异的不同 工业应用 ，系统设计人员需要一种支持快速配置以适应需求的灵活系统。AD74413R的四个通道可配置为不同输入和输出模式，例如： ►高阻抗 ►电压输入 ►电压输出 ►外部供电的电流输入 ►环路供电的电流输入 ►电流输出 ►数字输入逻辑 ►环路供电的数字输入 ►RTD测量 需要一组外部分立元件来支持四个通道中任何一个通道上的任何功能，从而提供充分的灵活性。如果执行器或传感器接线错误，可利用单个SPI重新配置该通道。 在单个封装中提供所有功能可减少硬件设计的元件需求，进而带来如下好处： ►装配和测试成本更低 ►可靠性更高，调试更轻松 ►简化采购工作 ►与通用I/O的分立式方案相比，通道密度更高 图1.软件可配置I/O将传统器件桥接到以太网 图2显示了支持AD74413R所有功能所需的外部元件，无论连接的负载是什么。 图2.AD74413R及支持所有功能所需的外部元件 故障检测和诊断功能 AD74413R具备自动故障检测和多种诊断功能，有助于定位故障。在故障情况下，ALERT引脚置为有效，可用来中断 微控制器 。然后，用户可查询警报寄存器以确定故障的确切原因。用户还可以使能诊断信号以进一步诊断所识别的故障。 图3.软件可配置I/O故障检测 图4.AD74413R分立电源解决方案框图 AD74413R可检测到如下故障： ►复位 ►校准存储器错误 ►SPI CRC错误 ►ADC错误 ►电源错误 ►温度错误 ►开路/短路错误 这些功能允许用户远程排除系统中发生的任何故障。在现有许多系统中，传感器和执行器可能位于远离控制室的潜在危险区域。此外，拥挤的布线也可能导致难以确定哪些电缆连接到哪个传感器或执行器，使得这些系统的重新接线成本高昂且耗时。AD74413R模块提供可配置能力和诊断功能，可确定哪个传感器或执行器连接到哪个特定通道。 隔离电源和数据解决方案 分立式方案 AD74413R的分立式隔离电源解决方案需要多个元件，如图4所示。使用单独的 隔离器 来提供电源和数据隔离。元件数量增加带来了电路板面积较大的问题。 ADP1032解决方案 图5显示了由ADP1032供电的AD74413R的框图。ADP1032有两个隔离稳压轨和七个数据隔离通道，这些全都在一个封装中，可满足隔离电源和数据通道的要求。与分立式电源和数据隔离解决方案相比，上述方案的电路板面积减少约3倍。因此，客户可以提高其模块中的整体通道密度。AD74413R的四个SPI信号使用ADP1032的高速隔离数据通道，这些通道经过优化，提供15 ns的低传播延迟，支持高达16.6 MHz的SPI时钟速率。在时序要求不那么严格的地方使用低速隔离数据通道，如、和信号。 图5.由ADP1032供电的AD74413R框图 系统可靠性 AD74413R系统解决方案能够在恶劣的工业环境中保持稳健，并提供以下保护特性： ►螺丝端子上的TVS（用于防止浪涌事件） ►面朝螺丝端子的引脚可承受±50 V DC及更高的电压（针对瞬态事件） ►在接线错误的情况下，无法从螺丝端子向器件供电 SPI CRC和SCLK计数特性确保不会发生错误的SPI事务。此外，ADP1032为AD74413R的两个正轨提供隔离电源，并隔离四个SPI信号和三个GPIO信号的数据。对于2级污染，ADP1032提供高达300 V的基本隔离。ADP1032的电源和数据通道的电气隔离保护系统免受高压瞬变的影响，降低接地环路的噪声，并确保人身安全。 图6.ADP1032 + AD74413R软件可配置I/O系统的稳健性 ADP1032和AD74413R作为一个完整系统进行测量和验证，符合CISPR 11 B类电磁辐射骚扰水平，裕量大于6 dB，如图7所示。 图7.AD74413R + ADP1032电磁辐射骚扰通过CISPR Class-B 功耗 灵活的多通道系统要求权衡系统功耗，因为AD74413R软件可配置I/O的每个通道都可以配置为不同模式，而AD74413R的电源则保持单一输出电压。设计人员必须选择最高的AD74413R AVDD电源电压，以便在考虑所需电压裕量和负载特性的情况下支持最坏使用场景，确保每种模式都能正常运行。考虑AD74413R处于电流输出模式、负载电阻为600 Ω、输入电流范围高达20 mA的使用场景，这意味着螺丝端子上的最大输出电压为12 V。买电子元器件现货上唯样商城。根据AD74413R数据手册，电流输出模式所需的裕量电压为4.6 V。将裕量电压与最大输出电压相加得到16.6 V，这是AD74413R在电流输出模式下所需的最小AVDD电源电压。对于其他输入和输出模式，应进行相同的AVDD电源电压计算，并且必须将得到的最高AVDD电压用作ADP1032 VOUT1的输出。 图8.ADP1032 + AD74413黑盒示意图 为了计算ADP1032 + AD74413R的系统功耗，可以将整个系统视为一个黑盒，然后从提供给系统的输入功率(PIN)中减去提供给负载的输出功率(POUT)即可，如图8所示。系统功耗包括ADP1032电源转换的损耗、AD74413R静态电流、数字通道隔离器的静态电流以及AD74413R输出路径中的损耗（尤其是所需的裕量）。图9显示了AD74413R的所有四个通道配置为相同工作模式和相同负载特性时的系统功耗。在本例中，为AD74413R AVDD供电的ADP1032 VOUT1输出设置为16.6 V，假设支持所有不同工作模式以及预定义的负载和输入输出条件。ADP1032的输入电源为24 V。电流输出模式的系统功耗更差，但在四个通道以满量程输出工作时，功耗仍小于1 W，如图9所示。功耗受AD74413R的输入和输出电平以及负载的影响很大。 图9.AD74413R + ADP1032系统针对不同工作模式和负载的功耗（所有四个通道配置相同），ADP1032输入电源 = 24 V。 选择ADP1032的输入电源(VINP)时须谨慎。ADP1032 VINP的选择将决定提供给AD74413R的ADP1032最大输出电流。图10显示了在整个VINP范围内，ADP1032对于各种VOUT1设置的最大输出电流。为ADP1032选择的输入电源必须能够支持AD74413R在较差情况下的电流需求，例如在输出电流模式下，所有四个通道都驱动20 mA的最大输出电流时。 图10.在整个输入电源电压范围内，ADP1032 VOUT1在不同输出电压下的最大输出电流 结论 工厂的数字化带来了产量、工厂利用率和劳动生产率的提高。然而，向数字化工厂的过渡并非易事，因为传统系统缺乏支持10BASE-T1L的传感器和执行器。AD74413R软件可配置I/O与ADP1032相结合，填补了支持以太网的现场仪器仪表的空白。AD74413R的四个通道非常灵活，每个通道都可以编程为八种不同的I/O配置。其故障检测和诊断功能可节省排错和系统调试的时间。诊断功能还可用于监视系统以进行维护。最后，ADP1032对数据和电源进行电气隔离，确保电源和数据安全高效传输。 参考资料 Barry Misthal、Reinhard Geissbauer、Jesper Vedso和Stefan Schrauf。“工业4.0：打造数字化企业”。PwC，2016年。 Brendan O’Dowd。“10BASE-T1L：将大数据分析范围扩大到工厂网络边缘”。ADI公司，2020年。 Maurice O’Brien和Volker E. Goller。“通过10BASE-T1L连接实现无缝现场以太网”。ADI公司，2021年。 Hakan Uenlue。“软件可配置硬件如何帮助实现工业I/O模块的灵活性”。ADI公司，2021年。 关于ADI公司 Analog Device s, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。 关于作者 Bien Verlito A. Javier目前在ADI菲律宾公司担任产品应用工程师。他于2011年9月加入ADI，曾担任过产品工程、设计评估和产品应用等领域的工程职位。他毕业于菲律宾理工大学（马拉贡顿校区），获电子工程学士学位。 Jefferson A. Eco目前在ADI菲律宾公司担任应用开发工程师。他于2011年加入ADI公司。Jefferson目前拥有一项美国专利，并撰写/合作撰写了关于为GSPS ADC供电的 开关稳压器 和了解 铁氧体 磁珠等主题的技术文章。Jefferson专注于开发工业应用 电源管理 产品，以及采用不同拓扑结构的通用DC/DC 转换器 ，例如反激式、降压、反相降压-升压和LDO稳压器。他毕业于菲律宾纳加市卡马里内斯苏尔职业技术学院，获电子工程学士学位。

简化隔离式软件可配置I/O通道设计的高集成度、系统级方法 本文介绍一种软件可配置输入/输出(I/O)器件及其专用隔离电源和数据解决方案，该解决方案有助于应对系统级工业应用的设计挑战。本文阐述了在设计单个IC时从系统级角度进行思考的优势，并重点讨论了建议解决方案的功耗优化功能。 简介 为过程控制、工厂自动化、楼宇控制系统等 工业应用 设计系统级隔离式I/O解决方案时，有许多方面需要考虑，其中包括功耗、数据隔离和外形尺寸。图1显示了系统解决方案，其在隔离式单通道软件可配置I/O解决方案中使用 AD74115H 和A DP 1034 ，解决了电源、隔离和面积挑战。通过将ADP1034的电源和数据隔离功能与AD74115H的软件可配置能力相结合，可以仅使用两个IC和非常少的外部电路来设计一个隔离式单通道I/O系统。 系统级解决方案 ADP1034是一款高性能隔离式 电源管理 单元，包含一个隔离反激式稳压器、一个反相降压升压调节器和一个降压调节器，提供三个隔离式电源轨并集成了七个低功耗数字 隔离器 。ADP1034还具有可编程功率控制( PPC )功能，可通过单线 接口 按需调整V OUT1 上的电压。V OUT1 为AD74115H AV DD 电源轨提供6 V至28 V的电压。V OUT2 为AD74115H电源轨AV CC 和DV CC 提供5 V电压。如需要，它还能为外部基准电压源提供电源电压。V OUT3 为AD74115H AV SS 电源轨提供-5 V至-24 V的电压。 功耗和优化 设计通道间隔离模块时，主要的权衡通常是在功耗和通道密度之间。随着模块尺寸缩小，通道密度增加，每个通道的功耗必须降低，以满足模块的最大功耗预算要求。在这种情况下，模块是指ADP1034和AD74115H，当它们共同使用时，可提供隔离电源、数据隔离和软件可配置I/O功能。 AD74115H和ADP1034之所以成为出色的低功耗解决方案，原因在于集成PPC功能的引入。PPC使用户能够按照需求调整V OUT1 电压（AD74115H AV DD 电源电压）。这种方法可以大大降低模块在低负载条件下的功耗，特别是在电流输出模式下。 使用PPC功能时，系统中的主机控制器通过SPI向AD74115H发送所需的电压代码，该代码随后通过单线串行接口(OWSI)传递至ADP1034。OWSI实现了CRC校验功能，非常稳健，可抵抗恶劣工业环境中可能存在的EMC干扰。 查看功耗计算示例可知，如果AV DD = 24 V且负载为250 Ω，则对于20 mA的电流输出，模块总功耗为748 mW。当使用PPC将AV DD 电压降至8.6 V（负载电压 + 裕量）时，模块功耗约为348 mW。这表明模块内节省了400 mW的功耗。 功耗计算示例 示例1和示例2选择了电流输出用例，驱动20 mA输出。负载为250 Ω，使能A DC ，以每秒20个样本转换默认测量配置。 图1.ADP1034和AD74115H电路图 示例1（无PPC）： AD74115H输出功率 = (AV DD = 24 V) × 20 mA = 480 mW AD74115H输入功率 = AD74115H QUIESCE NT (206 mW) + ADC功耗 (30 mW) + 480 mW = 716 mW 模块输入功率 = 716 mW + ADP1034功耗 (132 mW) = 848 mW 负载功耗 = 20 mA 2 × 250 Ω = 100 mW 模块总功耗 =（模块输入功率 - 负载功耗）= 748 mW 在示例2中可以看到，当使能PPC功能以将AV DD 降低到所需电压(20 mA × 250 Ω) + 3.6 V裕量 = 8.6 V时，模块的功耗降至348 mW。 示例2（使能PPC）： AD74115H输出功率 = (AV DD = 8.6 V) × 20 mA = 172 mW AD74115H输入功率 = AD74115H QUIESCENT (136 mW) + ADC Power (30 mW) + 172 mW = 338 mW 模块输入功率 = 338 mW + ADP1034 Power (100 mW) = 448 mW 负载功耗 = 20 mA 2 × 250 Ω = 100 mW 模块总功耗 =（模块输入功率 - 负载功耗）= 348 mW 图2显示了AD74115H应用板上在25°C时的实测功耗。测量结果表明，功耗略低于计算的功耗。此结果会因器件而略有不同。 图2.测量数据：驱动20 mA到250 Ω负载，AV DD = 24 V，AV DD = 8.6 V（使用PPC） 图3显示了使用PPC的模块（ADP1034和AD74115）功耗（针对每个负载 电阻 值设置优化的AV DD ）与不同负载电阻值的关系。两个不同的电压被施加于ADP1034的VINP（15 V和24 V），以显示ADP1034的效率。测量是在25°C下进行。 图3.20 mA输出时功耗与R LOAD 的关系 图4显示了不同温度下使用PPC的功耗（针对每个负载电阻值设置优化的AV DD ）与不同负载电阻值的关系。 图4.功耗与温度的关系 表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗 数字输出用例 在工业应用中，数字输出被认为是最耗电的使用场景。AD74115H支持内部和外部拉电流与灌电流数字输出。ADP1034可为内部数字输出功能提供足够的功率，支持最高100 mA的连续拉电流或灌电流。在这种情况下，数字输出电路电源DO_V DD 直接连接到AV DD 。对于100 mA以上的电流，必须使用外部数字输出功能，这需要将额外的电源连接到DO_V DD 。买电子元器件现货上唯样商城 内部数字输出用例超时 为了支持在初始上电时对容性负载充电，可以在使用内部数字输出用例的同时，使能更高的短路限流值(~280 mA)，使能的时间T1可编程。经过T1时间后，部署第二短路限流值(~140 mA)。这是一个较低的限流值，在可编程的持续时间T2内有效。在这些短路情况下，系统需要更多电流，因此必须注意确保ADP1034 V OUT1 电压不会骤降。为确保无骤降，如果需要24 V DO_V DD ，建议将24 V电压作为ADP1034的系统电源电压。这是24 V继电器的典型电压需求。对于12 V继电器，建议使用至少18 V的系统电源电压(ADP1034 V INP )，以确保可以为负载提供足够的电流。 图5和图6显示了DO_V DD 与T1和T2短路限值的关系，证明了使用ADP1034提供大电流的稳定性。 图5.系统电源 = 24 V，DO_V DD 电压 = 24 V 图6.系统电源 = 24 V，DO_V DD 电压 = 12 V 数据隔离和解决方案尺寸 ADP1034采用ADI公司的iCoupler®专利技术，在7 mm × 9 mm封装中集成了三个隔离电源轨，包括SPI数据和三个GPIO隔离通道。这种高集成度将所有通道隔离要求整合到PCB上的一个小区域中，有助于解决PCB面积挑战，而且实现了省电。当通道不使用时，ADP1034的控制器端将其他SPI隔离器通道置于低功耗状态。这意味着通道仅在需要时才处于活动状态。三个隔离GPIO通道用于隔离AD74115H的RESET、ALERT和ADC_RDY引脚，从而满足AD74115H的所有隔离要求，而无需增加额外的隔离器IC成本。 结语 设计一种低功耗、小尺寸的通道间隔离I/O解决方案，哪怕是对于业内一些经验十分丰富的设计人员而言，也可能是一项挑战。ADP1034和AD74115H系统级解决方案通过高集成度和系统级设计方法化解了该挑战。由单个IC从单个系统电源提供三个隔离电源轨，并提供集成数据隔离，这使得BOM成本大幅降低。再加上AD74115H的灵活性，该系统设计将能满足大多数I/O工业应用的要求。 来源：ADI 作者：Valerie Hamilton

让数字预失真的故障排除和微调不再难 必备攻略请查收 本文介绍ADI ADRV9002的数字预失真(DPD)功能。所用的一些调试技术也可应用于一般DPD系统。首先，概述关于DPD的背景信息，以及用户试验其系统时可能会遇到的一些典型问题。最后，文章介绍在DPD软件工具帮助下可应用于DPD算法以分析性能的调优策略。 【导读】本文介绍ADI ADRV9002的数字预失真( DP D)功能。所用的一些调试技术也可应用于一般DPD系统。首先，概述关于DPD的背景信息，以及用户试验其系统时可能会遇到的一些典型问题。最后，文章介绍在DPD软件工具帮助下可应用于DPD算法以分析性能的调优策略。 简介 数字预失真（通常称为DPD）是无线通信系统中广泛使用的一个算法。DPD旨在抑制通过射频 功率放大器 (PA)传递宽带信号上的频谱再生，从而提高PA的整体效率。一般而言，在处理高功率输入信号时，PA会出现非线性效应和效率不高的问题。由于频谱再生，相邻频带出现非线性效应和频谱干扰。图1显示在ADRV9002平台上使用TETRA1标准进行DPD校正之前和之后的频谱再生。 图1.使用ADRV9002的TETRA1 DPD ADRV9002提供经过功率优化的内部可编程DPD算法，该算法可自定义，以校正PA的非线性效应，从而提高整体邻道功率比( ACP R)。尽管DPD能够为通信系统带来预期的优势，但缺乏经验的人员开始使用DPD时往往困难重重，更别提正确设置了。这主要因为数字预失真涉及多个因素，可能会导致误差，而降低DPD性能。实际上，即使在正确设置硬件后，要确定正确的参数以微调DPD并获得最优解决方案，仍可能具有挑战性。本文旨在帮助在ADRV9002中使用DPD选项的工程师，以及提供一些使用可用参数微调DPD模式以获得最优DPD性能的一般策略。此外，还使用MATLAB®工具帮助用户分析DPD，并消除常见错误，同时提供有关内部DPD操作的一些见解。 启用DPD选项时，ADRV9002可提供高达20MHz的信号带宽。这是因为接收带宽限制在100MHz。DPD通常将以发射带宽5倍的接收带宽工作，因此可以看到和校正三阶和五阶交调信号。ADRV9002支持的最高PA峰值功率信号约为1dB（通常称为P1dB）压缩区。该指标表示PA压缩的程度。如果PA压缩超过P1dB点，则无法保证DPD正常工作。但是，这个要求并不严格；在许多情况下，DPD在超过P1dB点时依旧能够工作，并且仍然提供非常出色的ACPR。但这要具体问题具体分析。一般而言，如果压缩得太严重，DPD可能会出现不稳定和崩溃的问题。在后面，将详细讨论压缩区，包括如何使用MATLAB工具观察当前PA压缩状态。 有关DPD的更多详细信息，请参见UG-1828的“数字预失真”章节。 架构 执行DPD功能有两种基本方法。第一种方法称为间接DPD，即在PA前后捕捉信号。与之不同的是直接DPD方法，即在DPD模块前和PA后捕捉信号。每种方法的优势和劣势不在本文章的讨论范围内。间接DPD通过分析PA前后的信号了解其非线性特性，并在DPD模块上执行反转。直接DPD分析DPD前和PA后的信号，并通过在DPD模块上应用预失真，消除二者之间的误差。用户应该了解，ADRV9002使用的是间接方法以及与之相关的影响。另外，请务必了解，在使用MATLAB工具时，捕捉数据也是采用间接方法。 图2显示了ADRV9002的简化DPD操作方框图。输入信号u(n)进入DPD模块。DPD将对信号进行预失真处理，并生成x(n)。在这里，称之为发射捕捉，不过这实际上是发射信号的预失真版本。然后，信号经过PA，成为y(n)，信号最终发送到空中。这里将y(n)称为接收捕捉，不过这实际上是PA后的发射信号。然后，y(n)反馈到接收器端口，用作观察接收器。本质上，DPD引擎将使用捕捉的x(n)和y(n)，然后生成系数，在DPD的下一次迭代中将应用这些系数。 图2.间接DPD的简化方框图 工作模式 ADRV9002在DPD上支持TDD和FDD操作。在TDD模式下，每个发射帧都会更新DPD。这意味着，在发射帧期间，接收器将充当观察路径。在FDD中，由于发射器和接收器同时运行，因此需要专用接收器通道。ADRV9002中的2T2R能够在2T2R/1T1R TDD和1T1R FDD模式下支持DPD。 DPD模式 结构 以下等式显示在发射路径中实现的DPD模式。 其中： u(n)是DPD的输入信号，x(n)是DPD的输出信号 T是DPD模式的总分支数 ψ t 是用于实现分支t查找表(LUT)的多项式函数，l t 是幅度延迟 k t 是数据延迟 a t ,l t ,i是DPD引擎计算的系数 b t ,l t ,i是启用或禁用项的开关 i是多项式项的指数和幂 用户可为每个分支配置多项式的项数量。ADRV9002提供3个记忆项分支和1个交叉项分支，每个分支的阶从0到7。 模式选择 用户可选择ADRV9002提供的默认模式选项（如图3所示），该模式应该适合大多数常见应用。或者，用户可通过启用和禁用项，选择自己的模式。前3个分支（0到2）表示记忆项，其中分支1是中心分支。分支3是交叉项分支。 注意，为了与记忆项分支区分，分支3（或交叉项分支）不应启用零阶项。 图3.DPD模式多项式的项 LUT大小：用户可设置LUT大小。ADRV9002提供两个选项，256和512。选择512大小，用户将获得更好的量化噪声电平，从而获得更好的ACPR，因为一般而言，较大的尺寸将提供更好的信号分辨率。对于窄带应用，ADI建议使用512作为默认选项。256可用于宽带，因为噪声电平不那么严格，并且可以改进计算和功率。 预LUT缩放：用户可设置预LUT缩放模块，以便对输入数据进行缩放，使其更适合压缩扩展器。压缩扩展器选择来自发射器的信号，对其进行压缩，以适合8位LUT地址。根据输入信号电平，用户可调整该值，以优化LUT利用率。其值可以在(0,4)的范围内设置，步长为0.25。在本文的最后一个部分，提供了更多有关压缩扩展器的内容。 配置 图4.启用DPD的基本配置 为了执行DPD，用户将必须在PA上启用外部环回路径，然后设置反馈功率，以确保其未超出范围。注意，这是峰值功率，不是平均功率。功率太强或者太弱都会影响DPD性能。用户还需要设置外部路径延迟，可使用External_Delay_Measurement.py获取。用户可在IronPython文件夹下的ADRV9002评估软件安装路径中找到该脚本。 注意，只需为高采样速率曲线设置外部延迟（例如， LTE 10MHz）。对于低采样速率曲线(TETRA1 25kHz)，用户可将其设置为0。在本文的后面部分，将使用该软件工具来观察捕捉数据，以了解外部延迟的影响。 其他配置 图5.DPD上的其他配置 用户可配置样本数量。默认情况下，用户可设置4096个样本。建议使用默认值。在大多数情况下，默认的4096个样本将为DPD提供最优解决方案。 其他功率缩放是更高级的参数。在大多数情况下，建议对ADRV9002使用默认值4。该参数与内部相关矩阵有关。根据实验，默认值为ADI测试的现有波形和PA提供最佳性能。在少数情况下，如果输入信号幅度极小或极大，用户可尝试将该值调整成较小和较大的值，以使相关矩阵维持适当的条件数，从而获得更稳定的解决方案。 Rx/Tx规范化：用户应将接收器/发射器规范化设置为数据呈线性的区域。在图6中，线性区域用红色显示。在该区域，数据的幂没有到达压缩区，并且足够高，可用于计算增益。选择该区域后，DPD可估算发射器和接收器的增益，然后继续对算法进行进一步处理。在大多数情况下，-25dBFS至-15dBFS应适合大多数标准PA。但是，用户仍然应该留意，因为特殊PA可能具有截然不同的AM/AM曲线形状，在这种情况下，将需要进行适当的修改。本文后面部分将对此进行详细说明。 图6.典型AM/AM曲线。线性区域用红色显示 设置 硬件设置 图7.典型DPD硬件方框图 典型设置如图7所示。在信号进入PA之前，需要 低通滤波器 ，以防止出现LO信号谐波。在某些情况下，如果内部LO相位噪声性能无法满足应用需求，则可能需要外部LO。在这种情况下，外部LO源需要与DEV_ CLK同步。近带噪声要求更严格的窄带DPD通常需要外部LO。通常建议在PA前提供一个可变 衰减器 ，用于防止对PA造成损害。反馈信号应具有适当的衰减，以便按照上一部分中讨论的方式设置峰值功率。 软件设置 IronPython 下载IronPython库，以便在GUI上执行IronPython代码。 图8.IronPython GUI窗口 在这里，用户可以在GUI的IronPython窗口中运行dpd_capture.py，如图8所示，它与MATLAB工具一起提供，以获取发射器和接收器的捕捉数据。DPD采样速率也包含在捕捉的文件中。 注意，该脚本应在启动或校准状态下运行。 MATLAB工具 MATLAB工具分析从dpd_capture.py中捕捉的数据。该工具将帮助检查信号完整性、信号对齐、PA压缩水平，最后是DPD的微调。 MATLAB工具需要MATLAB Runtime。首次安装需要一些时间下载。安装完成后，用户可加载IronPython脚本捕捉的数据，然后观察图形，如图9所示。 图9.MATLAB DPD分析仪 此外，用户还可设置数据规范化的高/低阈值，然后按“重新加载”以查看变化。 首先，在时域中绘制规范化的发射器和接收器数据。用户可以放大图形来观察发射器和接收器的对齐状态。这里只显示了数据的实部，但用户也可轻松绘制虚部。实部和虚部通常应该对齐或不对齐。 然后是发射器和接收器频谱——蓝色是发射器，红色是接收器。注意，这是间接DPD——发射器数据将是预失真数据，而不是 SSI 端口上的发射器数据路径。 接下来，有两条AM/AM曲线，这两条曲线均在线性和dB坐标系中。这些是有关DPD性能和PA压缩状态的重要指标。 AM/PM曲线和接收器/发射器相位差也会被提供。 此外，还有高阈值和低阈值数字。这些数字应该与ADRV9002 TES评估软件中的设置相匹配。 注意，由于提供了 API 来捕捉数据，因此如果需要，用户可以开发自己的图形和分析模型。该工具提供用于分析DPD的一些常见检查。API包括： adi_ADRV9002_dpd_CaptureData_Read，这是读取DPD捕捉数据，必须在校准或启动状态下运行。 adi_ADRV9002_DpdCfg_t → dpdSamplingRate_Hz，这是DPD采样速率，是只读参数。 典型问题 DPD可能受许多不同因素的影响。因此，请务必确保用户考虑并检查了列出的所有潜在问题。在考虑所有问题之前，用户应确保硬件正确连接。 发送数据过载 图10.DPD的简化硬件方框图 图10显示了ADRV9002实现DPD的简化示意框图。来自 接口 的发射器数据可能会使DAC过载。如果DAC过载，发射器的RF信号在PA介入之前就已失真。因此，请务必确保发射器数据不会使DAC过载。 用户可通过GUI观察发射器DAC是否过载。图11显示TETRA1 25kHz波形。峰值与数字满量程仍相距甚远。对于ADRV9002，建议与满量程至少保持几dB，避免导致DAC过载。很难量化用户应该回退多少——这是因为DPD将尝试执行预失真，预失真信号将为“峰值扩展”，因而可能会导致DAC过载。这取决于DPD如何应对特定PA——一般而言，PA压缩得越厉害，所需的峰值扩展空间就越大。 图11.时域中的一部分TETRA1标准波形 接收器数据过载 另一个常见错误是接收器数据导致反馈DAC过载。造成该错误的原因是，没有足够的衰减返回到接收器端口。这可以从调试工具中观察到，造成的影响是接收器数据被裁剪，因此，发射器和接收器无法有效对齐，导致DPD出现计算错误。DPD通常会表现得非常糟糕，从而使整个频谱中的噪声增加。 图12.接收器数据过驱 接收器数据欠载 与接收器过载相比，这个问题常常被忽视。造成该问题的原因是，没有正确设置反馈衰减。用户可能给反馈路径提供过多的衰减，这导致接收器数据太小。默认情况下，建议对ADRV9002使用-18dBm峰值，因为它能够将数据从模拟转换为数字，达到已知良好的DPD功率电平。但用户可以根据需求调整该数字。用户应该了解，DPD反馈接收器使用的衰减器与常规接收器不同，其步长更高。衰减水平通过用户设置的峰值功率电平进行调整。-23dBm是最低功率电平（0衰减）——如果超出该范围，将得到低功率电平，这会影响DPD性能。根据经验，用户应确保始终正确测量和设置反馈功率。很多时候，用户往往会尝试不同的功率电平，但忘记正确设置反馈功率，从而导致该问题。 TDD与FDD TDD模式下的DPD必须在自动状态机中运行。使用TES进行评估时，在手动TDD模式下，用户仍可启用DPD，但性能会很差。这是因为DPD只能基于帧工作。在手动TDD模式下，帧的长度将由发射/接收启用信号切换来确定。换言之，每次播放和停止就是一个帧。但是，在人工切换的时间内，PA已转变为不同的温度状态。因此，如果不使用可以频繁切换发射启用信号的自动TDD模式，将无法维持DPD状态。然而，在FDD模式下，DPD应正常进行。 例如，用户可能希望使用TETRA1，它遵循类似TDD的帧方案（实际上是T DM -FDD）。因此，不应该直接选择TDD模式并手动检查DPD，并且DPD往往表现糟糕。相反，用户可以使用“定制FDD”配置文件，选择与TETRA1相同的采样速率和带宽，或者用户可以设置TETRA1 TDD帧定时，并使用自动TDD模式。这两种方法都可以提供比手动TDD更好的性能。 发射器/接收器未对齐 ADRV9002将尝试对齐发射器和接收器数据的时间。当用户捕捉到数据时，用户期望数据是对齐的。延迟测量在初始校准时完成。但是，对于高采样速率曲线，需要单独完成更精确的子样本对齐。 图13.未对齐的DPD捕捉 图14.放大LTE10的发射器和接收器实部数据（未对齐） DPD是自适应算法，需要计算两个实体（即发射器和接收器）的误差。在计算发射器和接收器的误差之前，需要正确对齐这两个信号——尤其是在使用高采样速率曲线（例如，LTE10）的情况下。对齐至关重要，因为样本之间的间隔非常小。因此，用户需要运行脚本External_Delay_Measurement.py来提取外部路径延迟。可在“板配置”→“路径延迟”下方输入该数字。 图15.IronPython外部延迟测量 如果未对齐发射器和接收器数据，造成的影响是用户将观察到噪声更大的AM/AM曲线。 图16.对齐的DPD捕捉 设置了路径延迟数字后，可以观察到，AM/AM和AM/PM曲线更干净，噪声更小。相位差也明显减小。 图17.放大的LTE10发射器和接收器实部数据（对齐） PA过载 每个PA对于能够处理的压缩程度都有自己的规范。虽然数据手册中通常提供P-1dB数据，但实际上，仍建议对DPD进行准确测量，以确保压缩点位于P-1dB。通过DPD软件，用户能够查看基于捕捉数据的AM/AM曲线，从而观察压缩点与P-1dB的接近程度。 图18.PA过载数据 图19.以dB为单位呈现的AM/AM曲线（已放大） 但是，如果信号超出P-1dB，这可能会导致DPD不稳定，或者甚至中断，频谱跳转到非常高的电平，再也不会降下来。在图19中，峰值时的压缩远超出1dB区域，曲线的形状也开始变得更平坦。这表示PA被过驱，为了增加输出功率，将提供更多输入，以支持输出功率电平。此时，如果用户决定继续增加输入功率，DPD性能将下降。 买电子元器件现货上唯样商城 一般策略模式选择与调整 间接DPD就是在PA前后捕捉数据，而DPD引擎将尝试模拟PA的相反效应。LUT用于使用系数应用该效应，该模式基于多项式。这意味着，DPD更像是曲线拟合问题，用户将尝试使用各项来“曲线拟合”非线性效应。区别在于，曲线拟合问题拟合的是单个曲线，而DPD还必须考虑记忆效应。ADRV9002有3个记忆分支，和1个用于对DPD LUT进行建模的交叉分支。 图20.记忆项和交叉项映射 图20显示ADRV9002提供的3个记忆分支和1个交叉分支。一般策略与曲线拟合问题类似。用户可从基线着手，然后添加和移除项。一般而言，中心分支必须存在（分支1）。用户可以逐个添加和移除项，以测试DPD的效应。然后，用户可以继续添加两个记忆分支（分支0和2），以添加记忆效应校正的效果。注意，由于ADRV9002有两个侧分支，因此这些分支应该相同——也就是，应该对称。此外，添加和移除项时，必须逐个操作。最后，用户可以试验交叉项。交叉项从数学的角度完成曲线拟合问题，因而提供更好的DPD性能。 注意，用户不得通过将项留空来跳过项，因为这将导致DPD出现不良行为。另请注意，用户不得在交叉项分支上设置第0项，因为从数学的角度来看，这也是无效的。 图21.无效的模式项设置 高级调整 压缩扩展器和预LUT缩放模块 在上一部分中，已提到了压缩扩展器。首次阅读用户指南时，这一概念可能会令人困惑，不知道它是什么意思或者该选择什么（256还是512）。压缩扩展器的目的是压缩输入数据，并将其放入LUT。 图22.压缩扩展器——估算平方根的形状 压缩扩展器的一般形状是平方根，在这里，I/Q数据传入。在将这些数据放入LUT之前，等式√(i(n)2+q(n)2)将用于从之前的等式中获得信号幅度。然而，由于平方根运算对速度的要求很高，并且还需要将其映射到LUT（8位或9位），因此需使用压缩扩展器。图22是理想的平方根曲线。此处将不显示实际实现方案，但简言之，这将是对平方根曲线的估算。 了解数据如何放入LUT后，可以更加明智地开始调整数据。ADRV9002可选择8位(256)或9位(512)作为LUT大小。更大的LUT意味着数据的地址位置加倍。这意味着，数据的分辨率更高，并且一般而言，量化噪声电平更好。对于窄带应用，由于噪声非常重要，因此建议始终选择512。对于宽带应用，由于噪声电平没那么重要，因此可使用任一选项。但是，如果选择512，消耗的功率会略高，计算速度会比较慢。 直方图和CFR 在DPD配置部分，曾简要提及预缩放。该参数用于为LUT提供大量输入数据。需要大量输入数据的原因是，在某些情况下，DPD未正确使用数据。对于此类PA压缩问题，真正被压缩并导致问题的是高幅度样本。因此，不能平等对待所有样本；相反，要重点关注高幅度样本。 看一下TETRA1标准波形直方图（参见图23和图24）。可以看到，大多数值出现在中高幅度区域。这是因为TETRA1标准使用D-QPSK调制方案，结果是信号将获得恒定包络。峰值功率与平均功率之间没有太大的区别。 这正是DPD所需要的。如前所述，DPD将捕捉更高幅度的样本，因此将更好地表征PA的行为。 图23.TETRA1幅度直方图 图24.TETRA1功率直方图 现在，以类似方式来看LTE10标准。LTE使用OFDM调制方案，将成百上千的子载波组合在一起。这里可再次看到LTE10的幅度和功率。可以轻松观察到与TETRA1的区别，即峰值离主平均值非常远。 图25.LTE10幅度直方图，没有CFR 图26.LTE功率直方图，没有CFR 在功率直方图中（参见图26），如果放大远端，可以看到，仍有非常高的峰值出现，但概率非常低。对于DPD，这是非常不利的。原因有二。 首先，高峰值（高幅度信号）的低概率计数将使PA的效率极其低下。例如，LTE PAPR约为11dB。这是很大的不同。为了避免损坏PA，输入电平将需要大幅回退。因此，PA没有用其大部分增益能力来提高功率。 其次，高峰值也是在浪费LUT的利用率。由于这些高峰值，LUT将为它们分配大量资源，并为大部分数据仅分配一小部分LUT。这会降低DPD性能。 图27.放大高幅度样本 削峰(CFR)技术将信号峰值向下移动到更能接受的水平。这通常用于OFDM类型的信号。ADRV9002不包含片内CFR，因此需要在外部实现该功能。为此，在ADRV9002 TES评估软件中，还包含CFR版本的LTE波形。CFR_sample_ rate_15p36M_bw_10M.csv如图28所示。可以看到，由于CFR，在高功率时，信号的峰值被限制在特定水平（在末端倾斜）。这将PAPR有效地推动到6.7dB，差值约为5dB。CFR的操作将对数据造成“损害”，因为EVM将降级。但是，与整个波形相比，高电平幅度峰值出现的概率非常小，将带来巨大的优势。 图28.LTE10幅度直方图，有CFR 图29.LTE10功率直方图，有CFR 结论 DPD是一种复杂的算法，许多人都觉得很难用。为了获得最优结果，需要花费大量精力设置硬件和软件，并且要小心谨慎。ADI的ADRV9002提供集成式片内DPD，将显著降低复杂性。ADRV9002还配备有DPD软件工具，可以帮助用户分析其DPD性能。 关于ADI公司 ADI是全球领先的高性能模拟技术公司，致力于解决最艰巨的工程设计挑战。凭借杰出的检测、测量、电源、连接和解译技术，搭建连接现实世界和数字世界的智能化桥梁，从而帮助客户重新认识周围的世界。详情请浏览ADI官网www.analog.com/cn。 作者简介 Wangning Ge是一名产品应用工程师，工作地点在新泽西州萨默塞特。他于2019年加入ADI公司。在此之前，他在诺基亚（以前的阿尔卡特朗讯）担任软件工程师。在DPD算法设计和基站射频应用领域，Wangning拥有丰富的经验。他负责ADRV9001系列收发器产品。 作者：ADI产品应用工程师Wangning Ge