开关调节器的分析

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传统上,开关调节器不宜用于直接为ADC供电。然而,开关调节器技术已今非昔比,当与后置滤波、精心的设计和布局布线做法相结合,开关调节器可以用作许多高速模数转换器的高效率电源解决方案。如图2所示,开关调节器的效率可达95%,相比于LDO,系统功耗显著降低。对于一个功耗为780mW的1.8V单电源ADC,如果使用开关调节器电源,整体系统功耗可降低640mW或更多。此外,开关电源设计消除了线性级这一热源,PCB的总体热量得以降低,因而对风扇和散热器等额外冷却措施的需求会减少。

 

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不过,开关调节器确实会产生噪声,必须通过精心的设计和布局布线予以控制。开关电源主要有两类噪声:开关纹波和高频噪声。对于恒频开关调节器,开关纹波会在开关频率及其倍数频率产生能量。高频噪声由转换器中的电压和电流快速跳变而产生。1-5ns的典型上升时间可以在70-350MHz区间内产生能量。对这两个噪声源均必须进行充分滤波,以免其干扰转换器的工作,降低转换器的性能。这可能需要使用多级LC滤波器,以降低纹波并衰减噪声。为保持直流调节能力,开关电源控制环路可以在输出滤波器的两级附近闭合。为保持稳定性,环路穿越频率必须较低。ADC给电源带来的负载特性基本上是一个与时钟频率成正比的直流负载。由于该负载是恒定的,开关调节器的瞬态响应相对不重要,因此低环路穿越频率在这种情况下是可以接受的。对调节器进行外部补偿可以更轻松实现这一目标。

 

图3. 开关调节器的典型效率

 

对输出电源电压上的噪声进行充分滤波至关重要,但设计人员也必须尽量减小从电源所含磁性元件(电感)到与ADC时钟或信号路径相关的巴伦或变压器之间的磁场或电场耦合。将电源电感放在PCB上的另一端并远离关键的ADC时钟和输入相关电路,有助于减小这种耦合。