动态功耗调节介绍

在今天的数据采集系统(DAQ)中，需要不断突破性能极限。系统设计人员需要更高的速度、更低的噪声和更优的总谐波失真(THD)性能，所有这些都有可能实现，但却并非免费。实现这些性能改进通常需要更大的工作电流，而更大的工作电流则会产生更高的功耗。但是，在许多应用中，功耗敏感性也越来越受关注。原因有很多种。可能是由于应用是一种利用纽扣电池进行工作的远程系统，其主要关注点是电池寿命。也可能是由于应用是一种多通道系统，其通道数较多、电路密度较高，会造成热量集中，从而产生由温度引起的漂移问题。无论何种情况，最大限度降低电流消耗和功耗都是重中之重。系统设计人员必须权衡更高性能和更低功耗带来的竞争优势。解决此问题的一种途径是借助一个称为动态功耗调节(DPS)的过程。

图1.基于SAR型ADC的数据采集子系统的框图
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简单而言，DPS就是一个在需要时启用电子元件、在不需要时禁用电子元件的动态过程。图1所示为一个典型的基于SAR型ADC的数据采集子系统。SAR型ADC的一个主要属性是其功耗随吞吐速率而变化，这使其非常适合功耗敏感型应用。以往，ADC驱动器和基准电压源缓冲器不能与SAR一样享有自动功耗调节功能。它们通常会在系统运行时上电并启用，这样会消耗过多的电能。假设启用时间足够短，便可以动态方式驱动放大器关断引脚，从而禁用ADC转换之间的放大器。这就是动态功耗调节。通过对放大器运用DPS，可大幅降低其平均电流消耗。借助DPS，放大器静态电流随关断引脚正在被驱动的负载周期而变化。理论平均静态电流可由下式得出

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其中： ● IAVG为平均DPS静态电流 ● IQ_ON为已启用的放大器的静态电流 ● IQ_OFF为已禁用的放大器的静态电流 ● tON为启用放大器的时间 ● tS为采样频率周期 本文的其余部分将聚焦于ADC驱动器放大器，但DPS概念也可运用至基准电压源缓冲器，而且得到的结果类似。

图2.在选定tON（与一直启用的放大器相关）时进行DPS的理论放大器功耗
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动态功耗调节介绍 图2显示了ADC驱动器放大器在一直启用时的理论效率提升。fR处的竖直基准线代表ADC功耗等于一直启用的驱动器放大器的功耗时的采样频率。采样速率较低时，放大器的功耗占主导，采样速率较高时，ADC的功耗占主导。基准频率(fR)将随放大器和选定ADC的功耗而变化，但基本概念依然相同。进行功耗调节的同一放大器的相对效率提升以三种不同的tON值显示。不出所料，采样速率给定时，更小的tON会产生更高的效率，并且能够以更高的采样速率运用DPS。阴影区域表明，逐渐减小tON产生的最大提升区域一般会延伸至约10个fR以下。由于采样速率会继续降至此点以下，因此可实现最大的整体功耗节约，但进一步减小tON带来的优势可以忽略不计，因为功耗逐渐接近关断或禁用状态的功耗。 要利用DPS获得最高的性能，系统时序和确定最小tON至关重要。

图3.放大器和ADC控制信号的简化时序图
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图3所示为ADC和驱动器放大器的简化时序图。图1中的系统时序功能块（FPGA、DSP和微控制器）可提供恰当的定时ADC转换开始(CNV)和放大器关断(PD)信号。SAR型ADC会在CNV的上升沿启动转换。在CNV的上升沿前，放大器在ADC采集阶段上电一段时间(tON)，然后与CNV的上升沿同步关断。tON的值为多大才恰当？ 虽然图2说明了使用随机的tON值时的概念，但其清楚表明，DPS的全部价值将仅在使用最小tON时实现。这是放大器必须在ADC转换开始前启用以确保结果准确的最短时间。更短的时间将导致SNR或THD降低，更长的时间将不会引起任何性能提升。实际上最小tON在整个采样速率范围内并非固定，并且必须根据具体应用，用经验进行确定。最小tON因不同的放大器和系统而异。例如，如果在图1的电路中使用ADA4805-1和AD7980的放大器/ADC组合，则最小tON会随着采样速率的增大而减小。通常，1 kSPS时需要~4 μs，而1 MSPS时则只需要~600 ns。采样速率较低时，由于处于关断状态的时间延长，因而较长的一段时间会为内部放大器节点放电提供更多的时间，因而开启时间更长。相反地，采样速率更高时，此时间段更短，因而内部放电时间更短。事实上，随着采样速率提高，有限的放大器关断时间将变得长于在关断状态消耗的时间。实际上，放大器在完成关断过程前就已经重新开启。这看起来是人为式的快速开启时间，但在性能数据未减小时却十分有效。 预测潜在功耗节省量时需要考虑的最后一点是输入信号频率的影响。迄今为止，我们已通过使用给定放大器的计算静态电流对DPS的概念进行说明。将一个信号施加在放大器输入时，也会出现随输入信号频率增大而增大的动态电流。如果输入频率足够低，影响微乎其微。随着频率增大，放大器输出端的RC网络会显示更大的负载，因而需要放大器提供更大的电流来处理此信号。 使用前面提及的ADA4805-1和AD7980并将这些概念综合在一起便可得到图4中的曲线。此图显示了进行动态功耗调节的ADC驱动器放大器相对于同样的放大器在一直启用时的功耗（用百分比表示）。我们绘制了选定输入频率下的DPS效率图，用以描述更高的输入频率对功耗的影响。我们确定了介于1 kSPS至1 MSPS之间的多个采样速率的最小tON，并将其定义为导致SINAD（信噪失真比）与一直启用的放大器相比减小不超过0.5 dB的tON。此图显示，在低采样速率下处理缓慢输入信号时，功耗节省量最高可达95%。但对更高吞吐量的系统而言更重要的是，潜在功耗节省量仍然非常高，在100 kSPS时最高可达65%，在1 MSPS时最高可达35%。必须注意，图4反映的是一个单位增益缓冲器在持续被采样的系统中的性能。但是，如之前所述，可将这些DPS概念轻松运用至基准电压源缓冲器，而且得到的结果类似。

图4.放大器功耗与动态功耗调节的关系—试验结果
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虽然DPS是一种相对较新的概念，而且需要考虑设计和时序因素，但是其初步成果非常有效。很明显，对更高性能和更低功耗的渴望将延续到未来，从而进一步增加对创意低功耗解决方案的需求。