logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Optymalizacja torów zasilania - część 3

ghost666 28 Gru 2021 14:08 972 1
  • W poprzedniej części przyjrzeliśmy się optymalizacji toru zasilania dla układu AD9175 — 12,5-GSPS przetwornika cyfrowo-analogowego. W kontynuacji tego artykułu zobaczymy, jak zoptymalizowano system zasilania przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) o prędkości 10,25 GSPS — AD9213. Układ ten jest pojedynczy, 12-bitowy, a ADC działa z prędkością 6 GSPS lub 10,25 GSPS. Ten konwerter analogowo-cyfrowy dedykowany jest do pracy z sygnałami o częstotliwości radiowej z pasmem wejściowym do 6,5 GHz. AD9213 stworzony został do aplikacji w obrębie częstotliwości i czasu o wysokim zakresie dynamiki, które wymagają szerokiego pasma chwilowego i niskich współczynników błędów konwersji. Układ ten jest wyposażony w 16-liniowy interfejs JESD204B, który obsługuje maksymalną przepustowość danych.

    Rysunek 1 przedstawia standardową sieć dystrybucji zasilania dla szybkiego przetwornika ADC — taką, jaka znajduje się na gotowej płytce ewaluacyjnej AD9213 — składającą się z poczwórnego stabilizatora impulsowego LTM4644-1 µModule i dwóch stabilizatorów liniowych. To rozwiązanie jest dość oszczędne przestrzennie i energetycznie, jednak, czy można je ulepszyć? Jak zauważono w tej serii, pierwszym krokiem do optymalizacji jest ilościowe określenie czułości AD9213 na zakłócenia pochodzące z zasilania — to znaczy realistyczne ustawienie limitów szumu wyjściowego PDN, aby nie powodował znacznego pogorszenia wydajności ADC. Przyjrzymy się alternatywnemu rozwiązaniu PDN wykorzystującemu dwa stabilizatory µModule i porównamy jego parametry ze standardowym rozwiązaniem dostępnym: „z półki” na karcie katalogowej.

    AD9213 wymaga 15 różnych szyn zasilających zebranych w cztery grupy:

    * Analogowe 1V (trzy szyny);
    * Cyfrowe 1V (sześć szyn);
    * Analogowe 2V (dwie szyny);
    * Cyfrowe 2V (cztery szyny).

    Optymalizacja torów zasilania - część 3
    Rys.1. Standardowy PDN znajdujący się na gotowej płytce ewaluacyjnej dla szybkiego przetwornika ADC AD9213.


    Analiza: Wymagania dotyczące szumu

    Zoptymalizowane rozwiązanie, które badamy, zastępuje poczwórny stabilizator impulsowy LTM4644-1 z rodziny µModule i dwa stabilizatory liniowe, dwoma stabilizatorami µModule (LTM8024 i LTM8074) oraz pojedynczym LDO.

    Optymalizacja torów zasilania - część 3
    Rys.2. PSMR AD9213 z analogowymi liniami 1V i 2V przy częstotliwości nośnej 2,6 GHz.


    Rysunek 2 pokazuje pomiar PSMR dla analogowych szyn zasilających 1V i 2V analogowych AD9213 przy częstotliwości nośnej 2,6 GHz. Szyna analogowa 1V jest bardziej czuła, niż szyna 2V ze względu na niższy PSMR. Rysunek 3 obrazuje z kolei widmo wyjściowe LTM8024 (z regulatorem LDO na wyjściu i bez) w wymuszonym trybie ciągłym (FCM). Pokazano również maksymalny dopuszczalny poziom tętnienia napięcia, który nie wytworzy impulsu w poziomie szumów -98 dBFS widma wyjściowego AD9213. Niefiltrowany szum 1/f i tętnienia pochodzące z przełączania stabilizatora LTM8024 przekraczają maksymalny dopuszczalny próg tętnień przy bezpośrednim zasilaniu szyny analogowej 1V.

    Dodanie stabilizatora liniowego LDO ADP1764 do LTM8024 zmniejsza szum 1/f i tętnienie napięcia oraz jego harmoniczne do maksymalnego dopuszczalnego progu tętnienia, co pokazano również na rysunku 3. Na wejściu stabilizatora liniowego wymagane jest napięcie wyższe od wyjścia. W tym przypadku wyjście 1,3V jest używane z LTM8024 do stabilizacji napięcia 1V. Te 300 mV zaspokaja zalecaną specyfikację spadku napięcia w układzie LDO, jednocześnie minimalizując straty mocy w nim; jest to nieco mniejszy zapas napięcia niż 500 mV, jakie wykorzystane jest w standardowym rozwiązaniu ewaluacyjnym.

    Optymalizacja torów zasilania - część 3
    Rys.9. Widmo wyjściowe LTM8024 a maksymalny dopuszczalny próg tętnień dla szyny analogowej 1V.


    Optymalizacja szyn 2V: Rysunek 4 przedstawia widmo wyjściowe stabilizatora LTM8074 µModule (z filtrem LC i bez niego). Pokazany jest również maksymalny dopuszczalny próg tętnienia napięcia. Ten próg reprezentuje poziom tętnienia zasilania, przy którym wstęgi pasma bocznego w sygnale nośnym ADC pojawiają się powyżej założonego poziomu szumów -98 dBFS w widmie wyjściowym przetwornika AD9213. Tutaj podobnie, jak w przypadku szyny analogowej 1V, wstęgi pochodzące z kluczowania stabilizatora impulsowego przekraczają maksymalny dopuszczalny próg tętnień przy bezpośrednim zasilaniu szyny analogowej 2V ze stabilizatora impulsowego. Jednakże w tym wypadku stabilizator LDO nie jest wymagany. Zamiast tego wystarczający jest filtr LC na wyjściu LTM8074, który zmniejsza tętnienia przełączania poniżej maksymalnego dopuszczalnego progu tętnienia.

    Optymalizacja torów zasilania - część 3
    Rys.4. Widmo wyjściowe LTM8074 a maksymalny dopuszczalny próg tętnień dla szyny analogowej 2V.


    Wyniki: zoptymalizowany PDN

    Rysunek 5 przedstawia zoptymalizowaną sieć dystrybucji energii wynikającą z rezultatu oceny czułości zasilania. Podobnie, jak standardowe rozwiązanie, wykorzystano tu trzy układy scalone mocy; w tym przypadku LTM8024, LTM8074 i ADP1764. W tym rozwiązaniu stabilizator LTM8024 z rodziny µModule VOUT1 jest dodatkowo regulowany przez LDO ADP1764 w celu zasilania stosunkowo czułej szyny analogowej 1V. Szyna cyfrowa 1V jest napędzana bezpośrednio z VOUT2 układu LTM8024. Podobnie, jak w przypadku DAC AD9175 z poprzedniej części artykułu, cyfrowe linie zasilania AD9213 są mniej wrażliwe na szumy, więc bezpośrednie zasilanie tych szyn jest możliwe bez pogorszenia dynamiki ADC. LTM8074 z filtrem LC zasila szyny analogowe 2V i cyfrowe 2V.

    Optymalizacja torów zasilania - część 3
    Rys.5. Zoptymalizowany PDN dla szybkiego ADC AD9213.


    W tabeli 1 porównano parametry zoptymalizowanej sieci PDN ze standardową siecią PDN z płytki ewaluacyjnej. Jak pokazano na rysunku 1 standardowy PDN wykorzystuje stabilizator impulsowy z czterema wyjściami z dwoma stabilizatorami LDO. Zmniejszenie powierzchni komponentów wynosi 15,4%, a wydajność wzrosła do 73,5% (z 63,1%) przy ogólnej oszczędności energii na poziomie około 1,0 W.

    Tab.1. Zoptymalizowany a standardowy PDN dla AD9213.
    Standardowy PDN (Rys.1.)Zoptymalizowany PDN (Rys.5.)Poprawa względem standardowego rozwiązania
    Pole powierzchni153.0 mm2129.5 mm215.4%
    Całkowita sprawność63.1%73.5%10.4%
    Strata mocy2.5 W1.5 W1.0 W


    Aby zweryfikować parametry zoptymalizowanej sieci PDN, AD9213 jest badany pod względem SFDR i SNR oraz poprzez inspekcję wyjściowego widma FFT wstęgi bocznej wokół nośnej. Pomiary SNR i SFDR pokazują wyniki, które mieszczą się w granicach specyfikacji arkusza danych, jak pokazano to w Tabeli 2. Rysunek 6 obrazuje widmo wyjściowe FFT AD9213, które charakteryzuje się czystą częstotliwością nośną bez widocznych zakłóceń wstęgi bocznej.

    Tab.2. Dynamiczne parametry AD9213 dla nośnej 2,6 GHz przy użyciu zoptymalizowanego PDN z rysunku 5.
    Parametr ADCZmierzona wartośćTeoretyczne minimumTypowa wartość
    SNR (dBFS)52.650.152.3
    SFDR (dBFS)72.060.076.0


    Optymalizacja torów zasilania - część 3
    Rys.6. Widmo FFT dla AD9213 (przy 2,6 GHz, nośna –1 dBFS) przy użyciu zoptymalizowanego PDN z rysunku 5.


    Podsumowanie

    Gotowe płytki ewaluacyjne wysokowydajnych konwerterów danych są wyposażone w sieci dystrybucji zasilania i są zaprojektowane tak, aby spełniały wymagania dotyczące szumów tych układów przetwarzania sygnałów. Nawet przy starannych rozważaniach poczynionych przy projektowaniu płytki ewaluacyjnej zawsze jest miejsce na ulepszenie sieci dystrybucji energii. W tej i poprzedniej części zbadaliśmy dwa PDN: jeden dla szybkiego przetwornika DAC i jeden dla szybkiego przetwornika ADC. Udało się poprawić zajmowaną na PCB przestrzeń, wydajność energetyczną i szczególnie ważną sprawność cieplną w porównaniu ze standardowymi sieciami PDN. Dalsze ulepszenia można by wprowadzić w niektórych parametrach przy użyciu alternatywnych projektów lub obecnie niedostępnych urządzeń.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/optimizing-power-systems-for-the-signal-chain-part-2.html[/quote]]Link[/url]

    Fajne? Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
REKLAMA