使用快速、高精度的SAR模数转换器延长电池使用寿命

低功耗是当今电池供电模数转换器应用的关键要求，因为医疗、消费和工业市场的便携式手持式仪器趋向于减小尺寸和重量、延长每个电池（或每次电池充电）的工作时间和更低的成本，通常伴随着功能集的增加。即使在非电池供电的应用中，低功耗的优势也不容忽视，因为低功耗系统可以在没有散热器或风扇的情况下运行，使其更小、成本更低、更可靠且“更环保”。此外，许多设计人员还面临着设计具有增强功能或性能的产品的挑战，同时减少或至少不超过现有功率预算。

当今市场上的ADC种类繁多，这使得选择满足特定系统要求的最佳器件更具挑战性。除了评估常见的转换器性能特征（如速度和精度）外，如果必须低功耗，还需要考虑更多规格。了解这些规格以及设计决策如何影响功率预算对于确定系统功耗和电池寿命计算至关重要。

ADC的平均功耗是转换期间使用的功率、未转换时使用的功率以及每种模式下花费的时间的函数。这可以用公式1来表示。

(1)

P平均= 平均功耗。

P卷积= 转换期间的功耗。

P斯比= 待机或关断模式下的功耗。

t卷积 = 转换所花费的时间。

t斯比= 待机或掉电模式所花费的时间。

转换过程中使用的功率通常远大于待机功率，因此如果增加待机模式的时间，平均功率会大大降低。逐次逼近（SAR）转换器类型特别适合这种工作模式。

影响系统电源使用的最大因素之一是板载电源的选择。对于便携式应用，系统通常由 3V 纽扣锂电池直接供电。这避免了对低压差稳压器的需求，从而节省了功耗、空间和成本。非电池应用也受益于低电压转换器DD电源范围，功耗随输入电压成比例。选择可接受的最低 VDDADC将降低功耗。

所有面向低功耗应用的ADC都具有省电或待机模式，可在不活动期间节省能源。ADC可以在单次转换之间关断，也可以以高吞吐速率执行突发转换，ADC在这些突发之间关断。对于单通道转换器，工作模式的控制可以集成到通信接口中，也可以在转换完成后自动进行。

将模式控制集成到通信接口中的优点是减少了引脚数。这降低了功耗，因为要驱动的输入更少，漏电流也更小。引脚数越少，MCU所需的封装尺寸越小，I/O越少。无论采用何种控制方法，谨慎使用这些模式都将节省大量电力。

顾名思义，在省电模式下，通过关闭ADC的部分电路来降低功耗。关断电路重启转换所需的时间决定了有效使用此类模式的吞吐速率。对于具有内部基准的ADC，重启时间将由基准电容充电所需的时间决定。使用外部基准的模数转换器需要足够的时间在重启时正确跟踪模拟输入。

对于当今市场上的所有ADC，功耗与吞吐速率成比例。消耗的功率是静态和动态功率的组合。静态功耗是恒定的，而动态功耗随吞吐量线性变化。因此，通过选择尽可能低的吞吐速率来适应应用，可以节省功耗。

图1显示了ADI公司最新的超低功耗ADCAD7091R的典型功耗与吞吐速率的关系。它还比较了利用器件的省电模式如何提供额外的节能效果，尤其是在吞吐速率较低的情况下。AD7091R省电模式的吞吐速率和利用率取决于器件重启时间，由于AD7091R具有片内基准电压源，基准电压源电容充电时间也取决于器件重启时间。基准电压源电容再充电所需的时间取决于电容和片内基准电压源重新启动时电容上剩余的电荷水平。

图1.AD7091R ADC的功耗与吞吐道的关系

在ADC中启动转换请求的最常见方法是通过串行接口使用专用转换输入引脚或控制。使用专用输入引脚 （CONVST），转换由下降沿启动。然后由片内振荡器控制转换，转换完成后可通过串行接口回读结果。因此，转换始终以恒定的最佳速度运行，允许器件在转换完成时进入低功耗模式，从而节省功耗。

对于采样时刻由片上选择下降沿（CS）启动的ADC，转换由内部采样时钟（SCLK）信号控制。SCLK频率将影响转换时间和可实现的吞吐速率，从而影响功耗。SCLK速率越快，转换时间越短。转换时间越短，与正常模式相比，器件处于低功耗模式的可用时间比例增加;因此，可以实现显着的节能。也就是说，如果每个转换需要 SCLK 的 N 个周期，则对于每秒的 S 转换，SCLK 切换的总时间为S × 不适用高莱克，每秒静态时间如公式2所示。

(2)

因此，对于每秒给定数量的样本，作为f高莱克增加，每秒的静止时间也增加。

例如，假设 16 个 SCLK 周期来完成转换并读取结果，则以 100 kSPS 采样和 30 MHz SCLK 的系统采样将在 94.67% 的时间内处于静态状态，也就是说，它将花费 5.33% 的时间进行转换（每秒 53.3 毫秒）。使用 10 MHz SCLK 运行的同一系统仅在 84% 的时间内处于静态状态，也就是说，它将花费 160 毫秒进行转换。因此，为了达到最佳功耗，转换器应以允许的最高SCLK频率运行。

在低功耗设计时，一个重要但经常被忽视的参数是输出引脚的容性负载，尤其是通信接口引脚，如SCLK、CS和SDO，因为这些I/O变量在转换过程中状态不断变化。在输出端看到的容性负载是驱动器IC本身的引脚电容加上输入引脚的引脚电容，加上PCB走线电容。走线电容通常可以保持在飞法范围内，并且不显著。为容性负载充电所需的功率（PL） 是负载 （CL）、驱动电压（V驾驶），以及变化频率（f），如公式3所定义。

(3)

因此，整个系统的功率是负载电容（C在） 乘以开关频率 （fn） 乘以驱动电压的平方。

(4)

由于ADC驱动SDO引脚，主机微控制器驱动CS、CONVST和SCLK引脚，因此通过最小化所有器件的引脚电容，可以实现最低功耗。

对于CS和CONVST引脚，开关频率完全由吞吐速率决定。如前所述，SCLK频率应设置为最大允许频率以降低功耗。这并不矛盾：重要的一点是，SCLK不是自由运行的——它应该只在尽可能短的时间内处于活动状态，以便在每次位试验的SDO线路上传播结果并控制转换过程。这取决于器件和分辨率，但通常每比特一个周期，加上一些开销，或者对于12位转换器SPI接口，每个样本大约16个SCLK周期。因此，SCLK的最小频率是所需的周期数乘以吞吐率。

SDO线路的频率取决于吞吐率和转换结果。虽然这是不可控的，但设计人员应该了解它如何影响转换的功耗。当结果为 101010...序列;当结果全部为 1 或全部为 0 时，将出现最低值。

除了降低吞吐率外，还降低了V驾驶电压也将大大降低功耗。模数转换器具有单电源引脚或用于模拟电路和数字接口的独立电源。一个单独的V驾驶电源提供了更大的设计灵活性，并避免了对电平转换器的需求，因为模数接口电压可以与SPI主机的电压相匹配。选择可用于的最低电压V驾驶将对应于最低的系统功耗。

图2比较了标准SPI接口（与CS、SDO和SCLK）的典型功率要求与总容性负载的函数关系。V驾驶3 V 和 1.8 V 的值，100 kSPS 的吞吐速率，每次转换 16 个 SCLK 周期，以及 1010 的最坏情况 SDO 输出...对于 12 位 ADC。

图2.典型接口功耗与容性负载的关系。

ADC电路设计的其他典型组成部分是基准电压源和运算放大器。不言而喻，这些组件也应谨慎选择低功耗。一些基准电压源提供省电模式，以减少不活动期间的功耗。放大器的选择取决于应用，因此应考虑系统吞吐速率，以确保所选放大器最大限度地提高ADC性能并降低功耗。

12位AD7091R专为低功耗应用而设计，具有SPI接口、片内精密2.5 V基准电压源和1 MSPS采样速率。转换通过 CONVST 引脚启动。片内振荡器控制转换过程，从而优化功耗。引脚电容最大值为5 pF。宽输入电压范围（2.7 V至5.25 V）允许集成到更广泛的应用中，而不仅仅是电池供电的应用。一个单独的V驾驶1.65 V至5.25 V电源可降低功耗并增强系统集成能力。

工作在1 MSPS时，AD7091R在3 V V时典型功耗为349 μADD.由于其功率随吞吐速率而变化，因此在 100 kSPS 时可实现 55μA 静态电流。不转换但基准电压源处于活动状态时的静态电流为21.6 μA;在省电模式下，仅消耗264 nA电流。AD7091R采用10引脚MSOP或LFCSP封装。

驱动AD7091R的典型放大器包括AD8031（用于快速吞吐速率应用）和AD8420（用于低带宽应用）。采用2.7 V电源供电时，AD8031的静态电流消耗典型值为750 μA;采用5 V电源供电时，AD8420的典型电流为70 μA。

图3显示了AD7091R通过CR2032锂电池供电时的典型电流消耗和计算的电池寿命。可以清楚地看到，随着吞吐量的降低，电池寿命可以大大延长。

图3.AD7091R的电池寿命和电流消耗与吞吐量的关系

将AD7091R与大多数其他ADC进行比较时，可以显著节省功率预算。例如，当与最接近的可用竞争产品（无内部基准电压源的器件）匹配时，对于1 MSPS吞吐速率，AD7091R的功耗降低了3×以上（典型值为1 mW，而3 V电源的典型功率为3.9 mW）。这相当于将 CR2032 电池的电池寿命延长 400 小时。当考虑到其他器件对外部基准电压源的需求时，节省的成本将进一步增加。

结论

除了延长电池寿命外，降低功耗还有很多好处。产生的热量更少，因此外形尺寸更小。由于温度应力较低，可靠性得到提高。由于元件更小，PCB尺寸可以减小，因此可以降低系统成本，从而减少元件数量，因为不需要散热器等附件。

本文概述了系统设计人员在使用ADC进行功耗优化时应考虑的几个重要考虑因素和优势。

审核编辑：郭婷