W części 1 tej serii poświęconej optymalizacji systemów zasilania, przeanalizowano, w jaki sposób można określić ilościowo czułość zasilacza na zakłócenia i jak te wielkości powiązać z rzeczywistymi efektami w łańcuchu sygnałowym. Zadano pytanie: Jakie są faktyczne limity szumów dl systemu, aby osiągnąć najwyższy możliwy parametr toru sygnałowego urządzeń do przetwarzania sygnału analogowego? Szum to tylko jeden z mierzalnych parametrów w projektowaniu sieci dystrybucji energii (PDN). Jak zauważono w części 1, skupienie się wyłącznie na minimalizowaniu szumu może zachodzić kosztem rozmiaru systemu, zwiększonych wydatków, czy obniżonej efektywności. Optymalizacja sieci dystrybucji energii poprawia wszystkie te parametry, jednocześnie obniżając poziom szumu do niezbędnego optimum.
Artykuł ten opiera się na uogólnionym przeglądzie skutków tętnienia zasilania w łańcuchach sygnałowych o wysokiej wydajności. W tym miejscu zagłębimy się w szczegóły optymalizacji sieci dystrybucji energii dla szybkich konwerterów danych (ADC, DAC itp.). W dalszej części tego artykułu i kolejnej jego odsłonie porównane zostaną standardowe systemy dostarczania energii (PDN) ze zoptymalizowaną siecią PDN, aby zobaczyć, gdzie można uzyskać korzyści w zakresie powierzchni zajmowanej na PCB, czasu i kosztów. Dalsze artykuły będą dotyczyć konkretnych rozwiązań optymalizacyjnych dla innych urządzeń łańcucha sygnałowego, takich, jak transceivery RF.
Optymalizacja systemu zasilania dla podwójnego przetwornika cyfrowo-analogowego AD9175 o prędkości 12,6 GSPS
AD9175 to wysokowydajny, podwójny, 16-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC), który obsługuje częstotliwości próbkowania do 12,6 GSPS. Urządzenie posiada 8-liniowy port wejściowy danych w standardzie JESD204B, pracujący z prędkością 15,4 Gb/s; wysokowydajny, wbudowany mnożnik zegara DAC; oraz możliwości cyfrowego przetwarzania sygnałów ukierunkowane na jedno- i wielopasmowe aplikacje bezprzewodowe działające bezpośrednio na częstotliwości radiowej (RF).
Rys.1. Standardowy PDN dla przetwornika cyfrowo-analogowego AD9175, który znajduje się na jego płytce ewaluacyjnej.
Przyjrzyjmy się optymalizacji PDN dla tego szybkiego przetwornika cyfrowo-analogowego. Rysunek 1 przedstawia standardową sieć dystrybucji zasilania dla danego dynamicznego układu zainstalowanego na gotowej płytce ewaluacyjnej. PDN składa się z dyskretnej, poczwórnej przetwornicy impulsowej ADP5054 i trzech stabilizatorów liniowych niskiego spadku napięcia (LDO). Celem dalszego rozważania jest sprawdzenie, czy można ulepszyć i uprościć ten układ, jednocześnie zapewniając, że szum wyjściowy systemu zasilania nie spowoduje istotnego pogorszenia parametrów przetwornika cyfrowo-analogowego.
AD9175 wymaga ośmiu szyn zasilających, które można podzielić na cztery grupy, a mianowicie:
* 1V analogowe (dwie szyny);
* 1V cyfrowe (trzy szyny);
* 1,8V analogowe (dwie szyny);
* 1,8V cyfrowe (jedna szyna).
Analiza: Wymagania dotyczące hałasu
Zanim będziemy mogli cokolwiek zoptymalizować musimy oszacować czułość zasilania tych szyn. Kluczowe jest skupienie się na szynach analogowych, ponieważ są one bardziej wrażliwe na szum, niż linie cyfrowe. Współczynnik modulacji zasilania (PSMR) szyn analogowych pokazano na rysunku 2. Należy zauważyć, że szyny analogowe 1V są stosunkowo bardziej czułe w zakresie częstotliwości 1/f, podczas gdy szyny analogowe 1,8V są bardziej wrażliwe w zakresie przełączania częstotliwości roboczych przetwornicy (od 100 kHz do około 1 MHz).
Jednym ze sposobów optymalizacji jest zastosowanie niskoszumnego stabilizatora impulsowego z filtrem LC. Rysunek 3 przedstawia widmo wyjściowe regulatora LT8650S z rodziny Silent Switcher® (z filtrem LC i bez niego) z wyłączonym trybem modulacji częstotliwości widma rozproszonego (SSFM). Jak omówiono w części 1, SSFM zmniejsza amplitudę szumów przy częstotliwości przełączania, ale wprowadza piki szumów w obszarze 1/f ze względu na trójkątne widmo sygnału modulacji. Ten dodatkowy szum przekroczyłby maksymalny dopuszczalny próg tętnienia dla tej szyny, ponieważ szum 1/f ma już niewielki margines od wyznaczonego progu. Dlatego nie zaleca się stosowania SSFM w tym przypadku. Maksymalny dopuszczalny próg tętnienia napięcia reprezentuje poziom tętnienia zasilania, przy którym po przekroczeniu amplitudy wstęgi pasma bocznego w sygnale nośnym przetwornika cyfrowo-analogowego pojawiają się powyżej poziomu szumów — 1 µVp-p widma wyjściowego przetwornika cyfrowo-analogowego.
Z tych danych wynika, że szum 1/f stabilizatora impulsowego nie przekracza maksymalnego dopuszczalnego progu tętnień dla szyny analogowej 1V. Ponadto filtr LC jest wystarczający, aby obniżyć podstawowe tętnienie przełączania i harmoniczne LT8650S poniżej maksymalnego dopuszczalnego progu tętnienia.
Rys.3. Widmo wyjściowe przewodzonych zakłóceń na wyjściu stabilizatora LT8650S porównane z maksymalnym dopuszczalnym poziomem tętnień dla linii analogowej 1V.
Rysunek 4 obrazuje widmo przewodzonych zakłóceń na wyjściu LT8653S (z i bez filtra LC). Pokazano tam również maksymalny dopuszczalny poziom tętnień zasilania dla linii 1.8V analogowej układu AD9175, który wynosi 1 µV p-p. Warto zauważyć, że szum 1/f dla układu LT8653S nie przekracza maksymalnego dopuszczalnego progu tętnienia, a filtr LC jest wystarczający, aby obniżyć podstawowe tętnienie przełączania i harmoniczne LT8653S poniżej maksymalnego dopuszczalnego progu tętnienia.
Rys. 4. Widmo przewodzonych zakłóceń na wyjściu LT8653S w porównaniu z maksymalnym dopuszczalnym progiem tętnień dla szyny analogowej 1,8V.
Wyniki: zoptymalizowany PDN
Rysunek 5 przedstawia zoptymalizowaną sieć dystrybucji zasilania dla AD9175. Zamiarem jest zwiększenie parametrów i zmniejszenie wymagań dotyczących miejsca na PCB oraz strat mocy w sieci PDN z rysunku 1 przy jednoczesnym osiągnięciu doskonałej wydajności dynamicznej AD9175. Cele dotyczące szumu są oparte na maksymalnym dopuszczalnym progu tętnienia ukazanym na rysunku 3 i 4.
Zoptymalizowana sieć dystrybucji zasilania składa się ze stabilizatorów z rodziny Silent Switcher (LT8650S i LT8653S) oraz filtrów LC na analogowych szynach zasilających. W tym PDN szyna analogowa 1V jest zasilana przez VOUT1 LT8650S, a następnie filtrowana przez układ LC; szyna cyfrowa 1V jest napędzana bezpośrednio przez VOUT2 tego samego układu LT8650S — nie jest wymagany do niej filtr LC. W przypadku AD9175 szyny cyfrowe są mniej wrażliwe na zakłócenia zasilania, więc bezpośrednie zasilanie tych szyn jest możliwe bez pogorszenia wydajności dynamicznej przetwornika cyfrowo-analogowego. Układ LT8653S z filtrem LC napędza bezpośrednio szyny analogowe 1,8V i cyfrowe 1,8V.
W tabeli 1 porównano parametry zoptymalizowanego PDN względem standardowego układu pokazanego na rysunku 1 — poczwórnego stabilizatora impulsowego z dodanymi trzema stabilizatorami LDO. Zmniejszenie powierzchni komponentów zoptymalizowanego rozwiązania wynosi 70,2% w stosunku do normy. Ponadto sprawność układu zasilania wzrosła do 83,4% (z 69,2%) przy ogólnej oszczędności energii netto równej 1,0 W.
Aby sprawdzić, czy parametry szumowe zoptymalizowanego PDN są wystarczające do spełnienia specyfikacji wymaganej przez AD9175, należy przeanalizować szum fazowy i sprawdzić widmo wyjściowe DAC pod kątem amplitudy zakłóceń wstęgi bocznej wokół częstotliwości nośnej. Wyniki pomiaru szumu fazowego są porównywalne między standardowym PDN i zoptymalizowanym PDN, jak zobrazowano to w Tabeli 2. Widmo wyjściowe AD9175 ma czyste widmo częstotliwości nośnej bez widocznych zakłóceń wstęgi bocznej, jak pokazano na rysunku 6.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/optimizing-power-systems-for-the-signal-chain-part-2.html
Artykuł ten opiera się na uogólnionym przeglądzie skutków tętnienia zasilania w łańcuchach sygnałowych o wysokiej wydajności. W tym miejscu zagłębimy się w szczegóły optymalizacji sieci dystrybucji energii dla szybkich konwerterów danych (ADC, DAC itp.). W dalszej części tego artykułu i kolejnej jego odsłonie porównane zostaną standardowe systemy dostarczania energii (PDN) ze zoptymalizowaną siecią PDN, aby zobaczyć, gdzie można uzyskać korzyści w zakresie powierzchni zajmowanej na PCB, czasu i kosztów. Dalsze artykuły będą dotyczyć konkretnych rozwiązań optymalizacyjnych dla innych urządzeń łańcucha sygnałowego, takich, jak transceivery RF.
Optymalizacja systemu zasilania dla podwójnego przetwornika cyfrowo-analogowego AD9175 o prędkości 12,6 GSPS
AD9175 to wysokowydajny, podwójny, 16-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC), który obsługuje częstotliwości próbkowania do 12,6 GSPS. Urządzenie posiada 8-liniowy port wejściowy danych w standardzie JESD204B, pracujący z prędkością 15,4 Gb/s; wysokowydajny, wbudowany mnożnik zegara DAC; oraz możliwości cyfrowego przetwarzania sygnałów ukierunkowane na jedno- i wielopasmowe aplikacje bezprzewodowe działające bezpośrednio na częstotliwości radiowej (RF).
Rys.1. Standardowy PDN dla przetwornika cyfrowo-analogowego AD9175, który znajduje się na jego płytce ewaluacyjnej.
Przyjrzyjmy się optymalizacji PDN dla tego szybkiego przetwornika cyfrowo-analogowego. Rysunek 1 przedstawia standardową sieć dystrybucji zasilania dla danego dynamicznego układu zainstalowanego na gotowej płytce ewaluacyjnej. PDN składa się z dyskretnej, poczwórnej przetwornicy impulsowej ADP5054 i trzech stabilizatorów liniowych niskiego spadku napięcia (LDO). Celem dalszego rozważania jest sprawdzenie, czy można ulepszyć i uprościć ten układ, jednocześnie zapewniając, że szum wyjściowy systemu zasilania nie spowoduje istotnego pogorszenia parametrów przetwornika cyfrowo-analogowego.
AD9175 wymaga ośmiu szyn zasilających, które można podzielić na cztery grupy, a mianowicie:
* 1V analogowe (dwie szyny);
* 1V cyfrowe (trzy szyny);
* 1,8V analogowe (dwie szyny);
* 1,8V cyfrowe (jedna szyna).
Analiza: Wymagania dotyczące hałasu
Zanim będziemy mogli cokolwiek zoptymalizować musimy oszacować czułość zasilania tych szyn. Kluczowe jest skupienie się na szynach analogowych, ponieważ są one bardziej wrażliwe na szum, niż linie cyfrowe. Współczynnik modulacji zasilania (PSMR) szyn analogowych pokazano na rysunku 2. Należy zauważyć, że szyny analogowe 1V są stosunkowo bardziej czułe w zakresie częstotliwości 1/f, podczas gdy szyny analogowe 1,8V są bardziej wrażliwe w zakresie przełączania częstotliwości roboczych przetwornicy (od 100 kHz do około 1 MHz).
Jednym ze sposobów optymalizacji jest zastosowanie niskoszumnego stabilizatora impulsowego z filtrem LC. Rysunek 3 przedstawia widmo wyjściowe regulatora LT8650S z rodziny Silent Switcher® (z filtrem LC i bez niego) z wyłączonym trybem modulacji częstotliwości widma rozproszonego (SSFM). Jak omówiono w części 1, SSFM zmniejsza amplitudę szumów przy częstotliwości przełączania, ale wprowadza piki szumów w obszarze 1/f ze względu na trójkątne widmo sygnału modulacji. Ten dodatkowy szum przekroczyłby maksymalny dopuszczalny próg tętnienia dla tej szyny, ponieważ szum 1/f ma już niewielki margines od wyznaczonego progu. Dlatego nie zaleca się stosowania SSFM w tym przypadku. Maksymalny dopuszczalny próg tętnienia napięcia reprezentuje poziom tętnienia zasilania, przy którym po przekroczeniu amplitudy wstęgi pasma bocznego w sygnale nośnym przetwornika cyfrowo-analogowego pojawiają się powyżej poziomu szumów — 1 µVp-p widma wyjściowego przetwornika cyfrowo-analogowego.
Z tych danych wynika, że szum 1/f stabilizatora impulsowego nie przekracza maksymalnego dopuszczalnego progu tętnień dla szyny analogowej 1V. Ponadto filtr LC jest wystarczający, aby obniżyć podstawowe tętnienie przełączania i harmoniczne LT8650S poniżej maksymalnego dopuszczalnego progu tętnienia.
Rys.3. Widmo wyjściowe przewodzonych zakłóceń na wyjściu stabilizatora LT8650S porównane z maksymalnym dopuszczalnym poziomem tętnień dla linii analogowej 1V.
Rysunek 4 obrazuje widmo przewodzonych zakłóceń na wyjściu LT8653S (z i bez filtra LC). Pokazano tam również maksymalny dopuszczalny poziom tętnień zasilania dla linii 1.8V analogowej układu AD9175, który wynosi 1 µV p-p. Warto zauważyć, że szum 1/f dla układu LT8653S nie przekracza maksymalnego dopuszczalnego progu tętnienia, a filtr LC jest wystarczający, aby obniżyć podstawowe tętnienie przełączania i harmoniczne LT8653S poniżej maksymalnego dopuszczalnego progu tętnienia.
Rys. 4. Widmo przewodzonych zakłóceń na wyjściu LT8653S w porównaniu z maksymalnym dopuszczalnym progiem tętnień dla szyny analogowej 1,8V.
Wyniki: zoptymalizowany PDN
Rysunek 5 przedstawia zoptymalizowaną sieć dystrybucji zasilania dla AD9175. Zamiarem jest zwiększenie parametrów i zmniejszenie wymagań dotyczących miejsca na PCB oraz strat mocy w sieci PDN z rysunku 1 przy jednoczesnym osiągnięciu doskonałej wydajności dynamicznej AD9175. Cele dotyczące szumu są oparte na maksymalnym dopuszczalnym progu tętnienia ukazanym na rysunku 3 i 4.
Zoptymalizowana sieć dystrybucji zasilania składa się ze stabilizatorów z rodziny Silent Switcher (LT8650S i LT8653S) oraz filtrów LC na analogowych szynach zasilających. W tym PDN szyna analogowa 1V jest zasilana przez VOUT1 LT8650S, a następnie filtrowana przez układ LC; szyna cyfrowa 1V jest napędzana bezpośrednio przez VOUT2 tego samego układu LT8650S — nie jest wymagany do niej filtr LC. W przypadku AD9175 szyny cyfrowe są mniej wrażliwe na zakłócenia zasilania, więc bezpośrednie zasilanie tych szyn jest możliwe bez pogorszenia wydajności dynamicznej przetwornika cyfrowo-analogowego. Układ LT8653S z filtrem LC napędza bezpośrednio szyny analogowe 1,8V i cyfrowe 1,8V.
W tabeli 1 porównano parametry zoptymalizowanego PDN względem standardowego układu pokazanego na rysunku 1 — poczwórnego stabilizatora impulsowego z dodanymi trzema stabilizatorami LDO. Zmniejszenie powierzchni komponentów zoptymalizowanego rozwiązania wynosi 70,2% w stosunku do normy. Ponadto sprawność układu zasilania wzrosła do 83,4% (z 69,2%) przy ogólnej oszczędności energii netto równej 1,0 W.
Tab.1. Porównanie zoptymalizowanego PDN opartego na AD9175 ze standardowym PDN
| Standardowy PDN (Rys.1) | Zoptymalizowany PDN (Rys.5) | Poprawa po optymalizacjji | Pole powierzchni na PCB | 142.4 mm2 | 42.4 mm2 | 70.2% | Całkowita sprawność | 69.2% | 83.4% | 14.2% | Strata mocy | 1.8 W | 0.8 W | 1.0 W |
Aby sprawdzić, czy parametry szumowe zoptymalizowanego PDN są wystarczające do spełnienia specyfikacji wymaganej przez AD9175, należy przeanalizować szum fazowy i sprawdzić widmo wyjściowe DAC pod kątem amplitudy zakłóceń wstęgi bocznej wokół częstotliwości nośnej. Wyniki pomiaru szumu fazowego są porównywalne między standardowym PDN i zoptymalizowanym PDN, jak zobrazowano to w Tabeli 2. Widmo wyjściowe AD9175 ma czyste widmo częstotliwości nośnej bez widocznych zakłóceń wstęgi bocznej, jak pokazano na rysunku 6.
Tab.2. Szum fazowy (dBc/Hz) AD9175 dla DAC0 i DAC1, korzystając ze standardowego i zoptymalizowanego rozwiązania PDN.
| Częstotliwość | Standardowy PDN (DAC0) | Standardowy PDN (DAC1) | Zoptymalizowany PDN (DAC0) | Zoptymalizowany PDN (DAC1) | 1.0 kHz | –91 | –91 | –91 | –91 | 10.0 kHz | –99 | –99 | –99 | –99 | 100.0 kHz | –110 | –110 | –110 | –110 | 600.0 kHz | –125 | –125 | –125 | –125 | 1.2 MHz | –134 | –134 | –134 | –134 | 1.8 MHz | –137 | –137 | –137 | –137 | 6.0 MHz | –148 | –148 | –148 | –148 |
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/optimizing-power-systems-for-the-signal-chain-part-2.html
Fajne? Ranking DIY
