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优化信号链的电源系统之二:深入探讨如何优化高速数据转换器的配电网络

日期:2022年06月18日

       简介 在电源系统优化系列的第 1 部分中, 我们介绍了如何量化电源噪声灵敏度, 以及如何将这些量与信号链中发生的实际影响联系起来。
       有人问:高性能模拟信号处理设备的真正噪声极限是多少?在设计配电网络时, 噪声只是一个可测量的参数。正如第 1 部分中所讨论的, 简单地最小化噪声可能会以增加尺寸、增加成本或降低效率为代价。优化配电网络可以改善这些参数, 同时将噪声降低到必要的水平。本文进一步分析了电源纹波对高性能信号链的影响。我们将深入探讨如何优化高速数据转换器的配电网络。我们将把标准与优化后的标准进行比较, 看看在哪里可以实现空间、时间和成本的优化。后续文章将探讨针对收发器等其他信号链组件的特定优化解决方案。 9175 双通道 126 高速数模转换器 电源系统优化 9175 是一款高性能、双通道、16 位数模转换器, 支持高达 126 的采样率。该器件具有 8 个通道、154204 个数据输入端口、高性能片上时钟乘法器和数字信号处理, 适用于单频段和多频段直接到射频无线应用。图 1 集成在现成的评估板上 9175 上的 9175 高速标准。让我们看看如何针对这种双通道高速进行优化。图 1 显示了安装在现成评估板上的 9175 高速标准分销渠道。它由一个 5054 分立四路开关和三个低压差后置稳压器组成。目的是验证这可以改进和简化, 同时确保其输出噪声不会导致显着的性能下降。 9175需要8个电源轨, 可分为4组, 分别为:1个模拟(2个电源轨1个数字(3个电源轨18个模拟(2个电源轨18个数字(1个电源轨分析:噪声要求)才可以实现优化, 首先要了解这些电源轨的供电灵敏度。我们将重点介绍模拟电源轨, 因为它们比数字电源轨对噪声更敏感。模拟电源轨的电源调制如图2所示。注意1 模拟电源轨在 1 频率区域更敏感, 而 18 模拟电源轨在开关转换器的工作频率范围(100 到 1 左右)更敏感。图 21 模拟电源轨和 18 模拟电源轨上的 9175 高速度。
       一种优化是使用带滤波器的低噪声开关稳压器。图 3 显示了 8650 稳压器(带和不带滤波器)在扩展频谱模式关闭的情况下的传导频谱输出。如第 1 部分所述 如上文所述e, 可以降低开关频率噪声幅度, 但由于三角调制频率, 在1区会出现噪声峰值。由于 1 噪声略微偏离了此阈值, 因此添加的噪声可能会超过此电源轨的最大允许纹波阈值。因此, 不建议在这种情况下使用。最大允许电压纹波阈值表示电源纹波水平, 超过该水平, 载波信号中的边带杂散将出现在输出频谱的 1 本底噪声中声音之上。从这些结果可以看出,

开关稳压器的 1 噪声没有超过 1 模拟电源轨的最大允许纹波阈值。此外, 该滤波器足以将 8650 的基波开关纹波和谐波降低到最大允许纹波阈值以下。图 38650 传导频谱输出与 1 个模拟电源轨的最大允许纹波阈值。图 4 显示了 8653 的传导频谱输出(带和不带滤波器。如图所示, 18 个电源轨的最大允许电压纹波不会在 9175 输出频谱的本底噪声内产生杂散。可以看出, 8653 的 1噪声不超过最大允许纹波阈值, 并且滤波器足以将 8653 的基波开关纹波和谐波降低到最大允许纹波阈值以下。 图 48653 传导频谱输出, 模拟轨的最大允许纹波阈值为 18 结果:优化 图 5 显示为 9175 优化的配电网络。目的是在图 1 中提高效率、减少空间要求和功率损耗, 同时实现 9175 的出色动态性能。噪声目标基于图 3 和图 1。
       最大允许纹波阈值如图 4 所示。优化的配电网络由 8650 和 8653 稳压器和模拟 r 上的滤波器组成病痛。在这一个中, 1 个模拟电源轨由 1 个 8650 供电, 然后在 8650 上进行滤波 1 个数字电源轨直接由同一个 8650 的 2 个供电, 之后不需要滤波器。对于 9175, 其数字电源轨对电源噪声不太敏感, 因此可以直接供电而不会降低动态性能电源轨。带有滤波器的 8653 直接为 18 条模拟和 18 条数字轨供电。表 1 比较了由一个四路降压开关和三个稳压器组成的优化型和标准型(如图 1 所示)的性能。在元件尺寸方面, 优化方案比标准方案小702%, 效率从692%提升至834%, 整体节能10。 图59175 高速优化。为验证优化后的噪声性能是否足以满足高性能规范要求, 对 9175 进行相位噪声评估, 并检测载波周围的边带 杂散输出频谱。1 如表 2 所示, 相位噪声检测结果在在数据表规范中指定的限制。 9175输出频谱的载波频率干净, 没有可见边带杂散, 如图6所示图6使用优化后的9175输出频谱(18、7个载波。表2使用图5中的优化, 9175的相位噪声18 个载波 92131025 用于高速模数转换器的电源系统优化 12 位、6 或 1025, RF 模数转换器, 输入带宽为 65。9213 支持高动态范围频率和时域应用, 需要宽瞬时带宽和低转换错误率。9213 具有 16 通道 204 接口以支持最大带宽能力。图 7 显示了 9213 高速标准配电网络在由 46441 四路开关组成的现成评估板上和两个线性稳压器。这种解决方案在尺寸和能效方面相对有效, 但它可以改进吗?如本系列文章所述, 优化的第一步是量化 9213 的灵敏度——即对输出噪声实际设置一个限制,

以免造成性能显着下降。在这里, 我们将介绍另一种使用两个稳压器的替代解决方案, 并将该解决方案的性能与标准的现成解决方案进行比较。 921310 需要 15 个不同的电源轨, 可分为 4 组:1 个模拟(3 个电源轨 1 个数字(6 个电源轨 2 个模拟(2 个电源轨 2 个数字(4 个电源轨) 图 7. 9213 高速集成标准分析:噪声要求 我们探索的优化解决方案使用两个稳压器(8024 和 8074 和一个后置稳压器, 而不是 46441 四开关和两个线性稳压器。图 8. 1 个模拟轨和 2 个模拟9213 在 26 个载波频率下的高速轨。图 8 显示了 9213 在 26 个载波频率下的 1 个模拟轨和 2 个模拟轨的结果。1 模拟电源轨低于 2 个模拟电源轨, 因此更多图 9 显示了 8024 的频谱输出(在强制连续模式下有和没有稳压器。该图还显示了最大允许电压纹波阈值的叠加) 9213 输出频谱的 98 本底噪声中没有产生杂散朗姆酒。
       当直接为 1 模拟轨供电时, 8024 输出中未经过滤的 1 噪声和基波开关杂散超过了最大允许纹波阈值。对于 8024 添加 1764 后置稳压器可转换 1 噪声、基本开关纹波和其谐波降低到最大允许纹波阈值以下, 如图 9 所示。线性稳压器的输入端需要一些裕量电压。在本例中, 8024 的输出 13 到后稳压器的输入。这 300 符合稳压器推荐的净空电压规格, 同时最大限度地减少其功率损耗;它比标准溶液使用的500更合适。图 98024 频谱输出与 1 个模拟轨的最大允许纹波阈值。对于 2 个电源轨:图 10 显示了 8074 稳压器(带和不带滤波器)在强制连续模式下的频谱输出。该图还显示了最大允许电压纹波阈值。此阈值代表电源纹波电平, 当超过此值时, 载波信号中的边带杂散将出现在 9213 输出频谱的 98 本底噪声之上。此处, 与 1 模拟轨类似, 当直接为 2 模拟轨供电时, 稳压器开关杂散将超过最大允许纹波阈值。但是, 不需要电压调节器, 而是通过 8074 输出端的滤波器将开关杂散降低到最大允许纹波阈值以下。 图 108074 频谱输出与 2 个模拟轨的最大允许纹波阈值之间的关系。结果:优化 图 11 显示了基于功率灵敏度评估结果的优化配电网络。与标准解决方案一样, 它使用三个幂;在本例中为 8024、8074 和 1764。在此解决方案中, 8024 稳压器 1 由 1764 进行后稳压, 为相对敏感的 1 模拟电源轨供电。1 数字电源轨由 8024 的 2 直接供电。与 9175 类似, 9213 的数字电源轨对电源噪声不太敏感, 因此可以直接供电而不会降低动态性能。带有滤波器的 8074 为 2 个模拟和 2 个数字轨供电。图 119213 高速优化。表 3 比较了优化标准和现成标准的性能。如图 7 所示, 该标准使用一个四路降压开关和两个稳压器。组件尺寸缩小154%, 效率从631%提高到735%, 整体节能10%。为了验证优化的性能, 对 9213 进行了评估,

并检查了载波周围边带杂散的输出频谱。结果表明 和 的性能在数据表中给出的规格限制内, 如表 4 所示。图 12 显示了 9213 的输出频谱, 其载频干净, 没有可见的边带杂散。图 12 使用图 11 中的优化时 9213(26、1 个载波)的频谱。结论 配电网络包含在用于高性能数据转换器的现成评估板中,

旨在满足这些信号处理的噪声要求.在设计上经过深思熟虑后, 配电网络仍有改进的空间。本文研究了两种类型:一种适用于高速, 一种适用于高速。与标准相比, 我们的优化方案在空间要求、效率方面具有优势, 尤其是热性能方面的改进非常重要。通过使用替代设计或当前不可用的设备, 可以进一步改进某些参数。敬请关注电力系统优化系统专栏文章, 包括收发器优化。相关文章建议:优化电源系统之一的信号链:可接受的电源噪声有多大?请参阅电路 1, 。优化信号链的电源系统第 1 部分:可接受的电源噪声有多大?模拟对话, 第 55 卷, 第 1 期, 2021 年 3 月。功率调制比揭秘:有什么区别?公司, 2018 年 12 月。改进的相位噪声测量支持超低相位噪声应用 模拟对话, 第 51 卷, 第 3 期, 2017 年 8 月。Data Transformation Inc. 的基本指南。供电或采样:Switching and, Inc., 2015 年 11 月。稳压器为采样提供低噪声电源并节省空间, Half Inc., 2018 年 10 月。铁氧体磁珠揭示模拟对话, 第 50 卷, 第 1 期, 2016 年 2 月。高速电源领域FAQ的模拟对话, 第52卷, 第2期, 2018年5月。作者:, 电源应用工程师负责编辑:

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