【導讀】隨著(zhù)醫療、消費電子和工業(yè)市場(chǎng)上的便攜式手持儀器儀表日趨向尺寸更小、重量更輕、電池（或每次充電）續航時(shí)間更長(cháng)、成本更低且通常功能更多方向發(fā)展，低功耗已經(jīng)成為如今電池供電模數轉換器應用的一項關(guān)鍵要求。即使是在非電池供電的應用中，低功耗的好處也不容忽視，因為低功耗系統無(wú)需散熱器或風(fēng)扇也能工作，因而尺寸更小、成本更低，而且更加可靠，同時(shí)也"更加綠色環(huán)保"。此外，許多設計人員在設計產(chǎn)品時(shí)都面臨一個(gè)挑戰，即在增強產(chǎn)品功能或性能的同時(shí)降低或者至少不得超過(guò)當前的功耗預算。
當今市場(chǎng)上品種繁多的ADC則使得選擇符合特定系統要求的最佳器件變得更加困難。如果說(shuō)低功耗是必須的條件，那么除了評估速度和精度等常見(jiàn)的轉換器性能特性之外，還需要考慮更多性能指標。了解這些指標以及設計決策會(huì )對功耗預算有何影響，對于確定系統功耗和電池壽命計算非常重要。
ADC的平均功耗是轉換期間所用功耗、不轉換時(shí)所用功耗以及各模式下所用時(shí)間的函數，如等式1所示。
(1)?PAVG = 平均功耗。
PCONV = 轉換期間的功耗。
PSTBY = 待機或關(guān)斷模式下的功耗。
tCONV = 轉換所用時(shí)間。
tSTBY = 處于待機或關(guān)斷模式的時(shí)間。
轉換期間所用功耗通常遠大于待機功耗，因此如果處于待機模式的時(shí)間增加，平均功耗會(huì )顯著(zhù)降低。逐次逼近(SAR)型轉換器尤其適合此類(lèi)工作模式
影響系統電源使用情況的最大因素之一是板上電源的選擇。對于便攜式應用，系統通常由3 V紐扣式鋰電池直接供電。這樣就無(wú)需使用低壓差穩壓器，從而節省電能、空間和成本。非電池應用也可受益于具有低VDD電源電壓范圍的轉換器，因為功耗與輸入電壓成正比。為VDDADC選擇最低可接受VDDVDD將可降低功耗。
針對低功耗應用的所有ADC都具有關(guān)斷或待機模式，以便在閑置期間節省電能。ADC可以在單次轉換之間關(guān)斷，或者以高吞吐速率突發(fā)執行一陣轉換，在這些突發(fā)之間關(guān)斷ADC。對于單通道轉換器，工作模式的控制功能可以集成到通信接口，或者在完成一次轉換后自動(dòng)進(jìn)行。
將模式控制集成到通信接口的好處是可以減少引腳數量。這樣可以降低功耗，因為要驅動(dòng)的輸入更少，同時(shí)漏電流也更小。此外，引腳數量越少，封裝尺寸也就越小，同時(shí)MCU所需的I/O也越少。無(wú)論采用何種控制方法，只要謹慎使用這些模式都能顯著(zhù)節省電能。
顧名思義，關(guān)斷模式會(huì )關(guān)閉部分ADC電路，從而降低功耗。關(guān)斷后電路重新啟動(dòng)轉換所需的時(shí)間決定可有效使用此類(lèi)模式的吞吐速率。對于帶有內部基準電壓源的ADC，重新啟動(dòng)時(shí)間將由基準電容重新充電所需的時(shí)間決定。采用外部基準電壓源的模數轉換器需要足夠的時(shí)間在重新啟動(dòng)時(shí)正確跟蹤模擬輸入。
對于當今市場(chǎng)上的所有ADC，功耗均與吞吐速率成正比。功耗由靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗組成。靜態(tài)功耗是恒定的，動(dòng)態(tài)功耗則和吞吐速率呈線(xiàn)性變化關(guān)系。因此，在滿(mǎn)足應用要求的前提下盡可能選擇最低的吞吐速率可以省電。
圖1所示為AD7091R, 的典型功耗與吞吐速率的函數關(guān)系，該器件是ADI公司最近推出的超低功耗ADC。圖中還比較了利用器件的關(guān)斷模式（尤其是在較低吞吐速率條件下）可以帶來(lái)怎樣的額外省電效果。AD7091R的吞吐速率和關(guān)斷模式利用率取決于器件的重新啟動(dòng)時(shí)間，以及基準電容的重新充電時(shí)間，因為AD7091R具有片內基準電壓源?；鶞孰娙葜匦鲁潆娝璧臅r(shí)間取決于電容大小，以及片內基準電壓源重新啟動(dòng)時(shí)電容的剩余電荷水平。
圖1. AD7091R ADC功耗與吞吐速率的關(guān)系
ADC中啟動(dòng)轉換請求的最常見(jiàn)方法是采用專(zhuān)用轉換輸入引腳或通過(guò)串行接口進(jìn)行控制。采用專(zhuān)用輸入引腳(CONVST)時(shí)，轉換在下降沿啟動(dòng)。然后，由片內振蕩器控制轉換，轉換完成后，可通過(guò)串行接口回讀結果。因此，轉換始終以恒定的最佳速度運行，允許器件在轉換完成時(shí)進(jìn)入低功耗模式，從而節省電能。
當ADC中的采樣時(shí)刻由片選(CS)上的下降沿啟動(dòng)時(shí)，轉換由內部采樣時(shí)鐘(SCLK)信號控制。SCLK頻率將會(huì )影響轉換時(shí)間和可實(shí)現的吞吐速率，進(jìn)而影響功耗。SCLK速率越快，轉換時(shí)間就越短。轉換時(shí)間越短，器件處于低功耗模式的時(shí)間比例相對于正常模式就越大，因此可以實(shí)現顯著(zhù)的省電效果。也就是說(shuō)，如果每次轉換需要N SCLK周期，那么對于每秒執行S次轉換，SCLK開(kāi)關(guān)的總時(shí)間為S S × N/fSCLK每秒內的靜態(tài)時(shí)間如等式2所示。
(2)因此，對于給定的每秒采樣次數，隨著(zhù)fSCLK增加，每秒內的靜態(tài)時(shí)間也會(huì )增加。
例如，假設完成轉換并讀取結果需要16個(gè)SCLK周期，則對于采樣速率為100 kSPS且SCLK為30 MHz的系統，靜態(tài)時(shí)間所占比例為94.67%，也就是說(shuō)轉換所用時(shí)間占5.33%（每秒內53.3 ms）。當SCLK為10 MHz時(shí)，同一系統的靜態(tài)時(shí)間僅占84%，也就是說(shuō)轉換用時(shí)為160 ms。因此，要實(shí)現最佳功耗性能，轉換器應以可支持的最高SCLK頻率工作。
針對低功耗應用而設計時(shí)，有個(gè)很重要的參數卻往往被忽視，即輸出引腳（尤其是SCLK、CS和SDO等通信接口引腳）上的容性負載，因為這些I/O變量會(huì )在轉換過(guò)程中不斷改變狀態(tài)。輸出端上的容性負載等于驅動(dòng)器IC本身的引腳電容、輸入引腳的引腳電容以及PCB走線(xiàn)電容之和。走線(xiàn)電容通常都很小，處于飛法范圍內，因此意義不大。為容性負載充電所需的功率(PL)是負載(CL)、驅動(dòng)電壓(VDRIVE)以及充電頻率(f)的函數，其定義如等式3所示。
(3)因此，整個(gè)系統的功率等于負載電容(CLn)和開(kāi)關(guān)頻率(fn)乘積之和乘以驅動(dòng)電壓的平方。
(4)由于A(yíng)DC驅動(dòng)SDO引腳，主機微控制器驅動(dòng)CS、CONVST和SCLK引腳，因此可通過(guò)盡可能減少所有器件的引腳電容來(lái)實(shí)現最低功耗。
對于CS和CONVST引腳，開(kāi)關(guān)頻率僅取決于吞吐速率。如前所述，SCLK頻率應設置為可支持的最大頻率，以便降低功耗。這并不矛盾：重要的是SCLK并不是自由運行——它應該僅在盡可能短的時(shí)間內激活，以便在SDO線(xiàn)路上傳播每個(gè)位檢驗的結果并控制轉換過(guò)程。這點(diǎn)依器件和分辨率而定，但通常為每位一個(gè)周期，再加上一些開(kāi)銷(xiāo)；對于12位轉換器SPI接口，每次采樣約為16個(gè)SCLK周期。因此，SCLK的最小頻率為所需周期數乘以吞吐速率。
SDO線(xiàn)路的頻率取決于吞吐速率和轉換結果。雖然這個(gè)無(wú)法進(jìn)行控制，但是設計人員應該了解它會(huì )對轉換功耗造成什么影響。當結果為101010…序列時(shí)，功耗最大；當結果為全1或全0時(shí)，功耗最小。
除了降低吞吐速率之外，減小VDRIVE電壓也可明顯降低功耗。模數轉換器通過(guò)單電源引腳或單獨的電源來(lái)為模擬電路和數字接口供電。使用單獨的VDRIVE電源時(shí)，設計靈活性更高并且無(wú)需電平轉換器，因為模數接口電壓可與SPI主機的電壓相匹配。為VDRIVE 選擇可用的最低電壓時(shí)，系統功耗將最低。
圖2比較了12位ADC在VDRIVE值為3 V和1.8 V時(shí)標準SPI接口（含CS、SDO和SCLK）的典型功耗要求與總容性負載的關(guān)系，其中吞吐速率為100 kSPS、每次轉換16個(gè)SCLK周期以及最差情況SDO輸出為1010。
圖2. 典型接口功耗與容性負載的關(guān)系
ADC電路設計的其它典型構成要素包括基準電壓源和運算放大器。不言而喻，應針對低功耗認真選擇這些元件。有些基準電壓源帶有關(guān)斷模式，以便在非活動(dòng)期間降低功耗。放大器選擇視應用而定，因此應考慮到系統吞吐速率，以確保所選放大器能夠使ADC性能達到最佳，同時(shí)使功耗降至最低。
12位AD7091R專(zhuān)為低功耗應用而設計，具有一個(gè)SPI接口和一個(gè)片內精密2.5 V基準電壓源，采樣速率為1 MSPS。轉換通過(guò)CONVST引腳啟動(dòng)。片內振蕩器控制轉換過(guò)程，使之能夠優(yōu)化功耗。引腳電容很小，最大值為5 pF。寬輸入電壓范圍（2.7 V至5.25 V）允許集成到更廣泛的應用中，而不僅僅是電池供電應用。單獨的1.65 V至5.25 V VDRIVE電源則可降低功耗，并提高系統集成能力。
采樣速率為1 MSPS且VDD為3 V時(shí)，AD7091R功耗為349 μA（典型值）。由于其功率與吞吐速率成正比，因此100 kSPS時(shí)靜態(tài)電流為55 μA。不執行轉換但基準電壓源激活時(shí)，靜態(tài)電流為21.6 μA；在關(guān)斷模式下，電流僅為264 nA。AD7091R采用10引腳MSOP或LFCSP封裝。
驅動(dòng)AD7091R的典型放大器包括 AD8031（針對快速吞吐速率應用）和 AD8420 f（針對較低帶寬應用）。采用2.7 V電源供電時(shí)，AD8031的靜態(tài)功耗為750 μA（典型值）；采用5 V電源供電時(shí)，AD8420的靜態(tài)功耗為70 μA（典型值）。
圖3所示為通過(guò)CR2032鋰電池供電時(shí)AD7091R的典型功耗和計算得出的電池壽命?？梢郧宄闯?，隨著(zhù)吞吐速率降低，電池壽命明顯延長(cháng)。
圖3. AD7091R電池壽命和功耗與吞吐速率的關(guān)系
與多數其它ADC相比，AD7091R可以在功耗預算上實(shí)現顯著(zhù)節省效果。例如，與最接近的可用競爭產(chǎn)品（一款不帶內部基準電壓源的器件）相比時(shí)，對于1 MSPS吞吐速率，AD7091R可使功耗降低3倍（對于3 V電源，其功耗典型值為1 mW，而比較產(chǎn)品的功耗典型值為3.9 mW）。這相當于將CR2032電池壽命延長(cháng)400小時(shí)?？紤]需要外部基準電壓源的其它器件時(shí)，節省效果更為明顯。
結論
除延長(cháng)電池壽命之外，降低功耗還有其它很多好處。產(chǎn)生的熱量變少，進(jìn)而使尺寸變小。穩定性因溫度應力降低而得以提高。由于采用更小的元件，因此PCB尺寸得以縮??；另外，由于無(wú)需散熱器之類(lèi)的配件，因此元件數量得以減少；這些使系統成本降低。
本文概述了系統設計人員在采用ADC的設計中優(yōu)化功耗時(shí)應考慮到的幾個(gè)重要因素和好處。
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參考電路
Casamayor, Mercedes and Claire Croke. “How to Save Power in Battery Applications Using the Power-Down Mode in an ADC.” Analog Dialogue, Vol. 37, No. 3, pp. 3-9, 2003.
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