ADI:使用快速、高精度SAR型模数转换器延伸电池寿数

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跟着医疗、消费电子和工业市场上的便携式手持仪器仪表日趋向尺度更小、分量更轻、电池（或每次充电）续航时刻更长、本钱更低且一般功用更多方向开展，低功耗已经成为现在电池供电模数转化器运用的一项要害要求。即使是在非电池供电的运用中，低功耗的优点也不容忽视，因为低功耗体系无需散热器或电扇也能作业，因而尺度更小、本钱更低，而且愈加牢靠，一起也”愈加绿色环保”。此外，许多规划人员在规划产品时都面对一个应战，即在增强产品功用或功用的一起下降或许至少不得超越当时的功耗预算。

当今市场上品种繁多的ADC则使得挑选契合特定体系要求的最佳器材变得愈加困难。假如说低功耗是有必要的条件，那么除了评价速度和精度等常见的转化器功用特性之外，还需求考虑更多功用目标。了解这些目标以及规划决议计划会对功耗预算有何影响，关于确认体系功耗和电池寿数核算非常重要。

ADC的均匀功耗是转化期间所用功耗、不转化时所用功耗以及各形式下所用时刻的函数，如等式1所示。

(1)

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P_AVG = 均匀功耗。

P_CONV = 转化期间的功耗。

P_STBY = 待机或关断形式下的功耗。

t_CONV = 转化所用时刻。

t_STBY = 处于待机或关断形式的时刻。

转化期间所用功耗一般远大于待机功耗，因而假如处于待机形式的时刻添加，均匀功耗会显着下降。逐次迫临(SAR)型转化器特别合适此类作业形式

影响体系电源运用状况的最大要素之一是板上电源的挑选。关于便携式运用，体系一般由3 V扣子式锂电池直接供电。这样就无需运用低压差稳压器，然后节约电能、空间和本钱。非电池运用也可获益于具有低V_DD电源电压规模的转化器，因为功耗与输入电压成正比。为V_DDADC挑选最低可接受V_DDVDD将可下降功耗。

针对低功耗运用的一切ADC都具有关断或待机形式，以便在搁置期间节约电能。ADC能够在单次转化之间关断，或许以高吞吐速率突发履行一阵转化，在这些突发之间关断ADC。关于单通道转化器，作业形式的操控功用能够集成到通讯接口，或许在完结一次转化后主动进行。

将形式操控集成到通讯接口的优点是能够削减引脚数量。这样能够下降功耗，因为要驱动的输入更少，一起漏电流也更小。此外，引脚数量越少，封装尺度也就越小，一起MCU所需的I/O也越少。不管选用何种操控办法，只需慎重运用这些形式都能显着节约电能。

望文生义，关断形式会封闭部分ADC电路，然后下降功耗。关断后电路从头发动转化所需的时刻决议可有用运用此类形式的吞吐速率。关于带有内部基准电压源的ADC，从头发动时刻将由基准电容从头充电所需的时刻决议。选用外部基准电压源的模数转化器需求满意的时刻在从头发动时正确盯梢模仿输入。

关于当今市场上的一切ADC，功耗均与吞吐速率成正比。功耗由静态功耗和动态功耗组成。静态功耗是稳定的，动态功耗则和吞吐速率呈线性改动联系。因而，在满意运用要求的前提下尽可能挑选最低的吞吐速率能够省电。

图1所示为AD7091R, 的典型功耗与吞吐速率的函数联系，该器材是ADI公司最近推出的超低功耗ADC。图中还比较了运用器材的关断形式（特别是在较低吞吐速率条件下）能够带来怎样的额定省电作用。AD7091R的吞吐速率和关断形式运用率取决于器材的从头发动时刻，以及基准电容的从头充电时刻，因为AD7091R具有片内基准电压源。基准电容从头充电所需的时刻取决于电容巨细，以及片内基准电压源从头发动时电容的剩下电荷水平。

ADC中发动转化恳求的最常见办法是选用专用转化输入引脚或经过串行接口进行操控。选用专用输入引脚(CONVST)时，转化在下降沿发动。然后，由片内振荡器操控转化，转化完结后，可经过串行接口回读成果。因而，转化一直以稳定的最佳速度运转，答应器材在转化完结时进入低功耗形式，然后节约电能。

当ADC中的采样时刻由片选(CS)上的下降沿发动时，转化由内部采样时钟(SCLK)信号操控。SCLK频率将会影响转化时刻和可完结的吞吐速率，从而影响功耗。SCLK速率越快，转化时刻就越短。转化时刻越短，器材处于低功耗形式的时刻份额相关于正常形式就越大，因而能够完结显着的省电作用。也就是说，假如每次转化需求N SCLK周期，那么关于每秒履行S次转化，SCLK开关的总时刻为S S × N/f_SCLK每秒内的静态时刻如等式2所示。

(2)

因而，关于给定的每秒采样次数，跟着f_SCLK添加，每秒内的静态时刻也会添加。

例如，假定完结转化并读取成果需求16个SCLK周期，则关于采样速率为100 kSPS且SCLK为30 MHz的体系，静态时刻所占份额为94.67%，也就是说转化所用时刻占5.33%（每秒内53.3 ms）。当SCLK为10 MHz时，同一体系的静态时刻仅占84%，也就是说转化用时为160 ms。因而，要完结最佳功耗功用，转化器应以可支撑的最高SCLK频率作业。

针对低功耗运用而规划时，有个很重要的参数却往往被忽视，即输出引脚（特别是SCLK、CS和SDO等通讯接口引脚）上的容性负载，因为这些I/O变量会在转化进程中不断改动状况。输出端上的容性负载等于驱动器IC自身的引脚电容、输入引脚的引脚电容以及PCB走线电容之和。走线电容一般都很小，处于飞法规模内，因而含义不大。为容性负载充电所需的功率(P_L)是负载(C_L)、驱动电压(V_DRIVE)以及充电频率(f)的函数，其界说如等式3所示。

(3)

因而，整个体系的功率等于负载电容(C_Ln)和开关频率(f_n)乘积之和乘以驱动电压的平方。

(4)

因为ADC驱动SDO引脚，主机微操控器驱动CS、CONVST和SCLK引脚，因而可经过尽可能削减一切器材的引脚电容来完结最低功耗。

关于CS和CONVST引脚，开关频率仅取决于吞吐速率。如前所述，SCLK频率应设置为可支撑的最大频率，以便下降功耗。这并不矛盾：重要的是SCLK并不是自在运转——它应该仅在尽可能短的时刻内激活，以便在SDO线路上传达每个位查验的成果并操控转化进程。这点依器材和分辨率而定，但一般为每位一个周期，再加上一些开支；关于12位转化器SPI接口，每次采样约为16个SCLK周期。因而，SCLK的最小频率为所需周期数乘以吞吐速率。

SDO线路的频率取决于吞吐速率和转化成果。尽管这个无法进行操控，可是规划人员应该了解它会对转化功耗形成什么影响。当成果为101010…序列时，功耗最大；当成果为全1或全0时，功耗最小。

除了下降吞吐速率之外，减小V_DRIVE电压也可显着下降功耗。模数转化器经过单电源引脚或独自的电源来为模仿电路和数字接口供电。运用独自的VDRIVE电源时，规划灵活性更高而且无需电平转化器，因为模数接口电压可与SPI主机的电压相匹配。为V_DRIVE 挑选可用的最低电压时，体系功耗将最低。

图2比较了12位ADC在V_DRIVE值为3 V和1.8 V时规范SPI接口（含CS、SDO和SCLK）的典型功耗要求与总容性负载的联系，其间吞吐速率为100 kSPS、每次转化16个SCLK周期以及最差状况SDO输出为1010。

ADC电路规划的其它典型构成要素包含基准电压源和运算放大器。显而易见，应针对低功耗仔细挑选这些元件。有些基准电压源带有关断形式，以便在非活动期间下降功耗。放大器挑选视运用而定，因而应考虑到体系吞吐速率，以保证所选放大器能够使ADC功用到达最佳，一起使功耗降至最低。

12位AD7091R专为低功耗运用而规划，具有一个SPI接口和一个片内精细2.5 V基准电压源，采样速率为1 MSPS。转化经过CONVST引脚发动。片内振荡器操控转化进程，使之能够优化功耗。引脚电容很小，最大值为5 pF。宽输入电压规模（2.7 V至5.25 V）答应集成到更广泛的运用中，而不仅仅是电池供电运用。独自的1.65 V至5.25 V VDRIVE电源则可下降功耗，并进步体系集成才能。

采样速率为1 MSPS且VDD为3 V时，AD7091R功耗为349 μA（典型值）。因为其功率与吞吐速率成正比，因而100 kSPS时静态电流为55 μA。不履行转化但基准电压源激活时，静态电流为21.6 μA；在关断形式下，电流仅为264 nA。AD7091R选用10引脚MSOP或LFCSP封装。

驱动AD7091R的典型放大器包含 AD8031（针对快速吞吐速率运用）和 AD8420 f（针对较低带宽运用）。选用2.7 V电源供电时，AD8031的静态功耗为750 μA（典型值）；选用5 V电源供电时，AD8420的静态功耗为70 μA（典型值）。

图3所示为经过CR2032锂电池供电时AD7091R的典型功耗和核算得出的电池寿数。能够清楚看出，跟着吞吐速率下降，电池寿数显着延伸。

与大都其它ADC比较，AD7091R能够在功耗预算上完结显着节约作用。例如，与最接近的可用竞赛产品（一款不带内部基准电压源的器材）比较时，关于1 MSPS吞吐速率，AD7091R可使功耗下降3倍（关于3 V电源，其功耗典型值为1 mW，而比较产品的功耗典型值为3.9 mW）。这相当于将CR2032电池寿数延伸400小时。考虑需求外部基准电压源的其它器材时，节约作用更为显着。

定论