מערכות אלקטרוניות חדשות המשתמשות בממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADCs) דורשות פחות הספק ויותר ביצועים. מאמר זה מתאר את ההבדלים בין ספקים ליניאריים וממותגים ומוכיח ששילוב בין ADC איכותי עם ממיר dc-dc יעיל יכול לצמצמם משמעותית את צריכת ההספק של המערכת מבלי להפחית את ביצועיה.
מתכנני מערכות נדרשים לצמצם את ההספק הכולל כדי להקטין את ההשפעה על הסביבה שלנו, תוך צמצום עלויות ההון והעלויות התפעוליות. הם נדרשים גם להגדיל את צפיפות המעגלים כך שמערכות אלקטרוניות יוכלו להיות מזוודות בגורמי צורה קטנים יותר ולפעול הסביבות קשות יותר. לרוע המזל, שילוב פתרונות בהספק גבוה במערכות אלו גורם לקשיים משמעותיים בפיזור החום הנוצר ומותיר את יתר המשימות בלתי-מבוצעות.
בעבר, יצרני ADC המליצו להשתמש במווסתי מתח ליניאריים כדי לספק הספק נקי לממיר. המווסתים הליניאריים דוחים את הרעש בתדר נמוך המופיע תכופות בספקי כוח של מערכות. בנוסף, שילוב של חרוזי פֵֵריט וקבלים נוטלי-צימוד (decoupling) משמש לניחות הרעש בתדר גבוה. טכניקה זו יעילה, אך מגבילה את היעילות, במיוחד במערכות בהן ווסתים ליניאריים צריכים לווסת כלפי מטה פס הספק הנמצא וולטים אחדים מעל מתח המוצא שלהם. LDOs (Low-dropout regulators) מציעים לרוב יעילות של 30% עד 50% בשעה שהיעילות של וסת dc-to-dc יכולה להיות גדולה מ-90%. איור 1 מראה את היעילות הטיפוסית של וסת מיתוג מוריד מתח Analog Devices ADP2114.
ממירי DC ל-DC, שהם הרבה יותר יעילים מאשר LDOs, נחשבו בעבר לרועשים מידי מכדי להזין ישירות ממירי אנלוגי לדיגיטלי מהירים ללא הפחתת ביצועים משמעותית. לרעש זה לפחות שני מקורות: רעש המוצמד ישירות לתוך הממיר באמצעות גליות הספק ורעש הנוצר בשל השפעות הצימוד המגנטי. הגליות יכולה להופיע כצלילים מופרדים (או דרבנים) בספקטרום המוצא של ה-ADC או לגרום להעלאה כללית ברצפת הרעש. הרגישות של הADC- לצלילים מופרדים אלה ניתנת לאפיון והיא מובאת לעתים קרובות בדפי המפרטים של הממיר כיחס דחייה של הספק (power supply rejection ratio – PSRR). אולם מדידות ה-PSRR אינן מאפיינות השפעות רחבות-פס ברצפת הרעש של הממיר. הזרמים הגבוהים הנוצרים בספק המיתוג גורמים לעתים קרובות לשדות מגנטיים חזקים שיכולים להיצמד לרכיבים מגנטיים אחרים בכרטיס, כולל סלילים המצויים ברשתות התאמה ושנאים המשמשים לשילוב אותות אנלוגיים ואותות שעון. יש להשתמש בטכניקות הסדרה מוקפדות כדי למנוע משדות אלה לחדור לתוך אותות קריטיים.
חסכון בהספק
(יתרונות היעילות)
בשעה שיצרני המוליכים למחצה מוסיפים להשיק ADCs, DACs ומגברים בעלי יעילות גבוהה יותר, שיפורים אלה הם זעירים לעומת יעילות ההספק הכוללת של המערכת שניתן להשיג על-ידי החלפת LDOs בווסתי dc-to-dc. נניח מעגל ליניארי הדורש 100 מילי-אמפר, או 33 מילי-ואט מספק של 3.3 וולט. עם ויסות רגיל של LDO, המווסת מ-5 וולט ל-3.3 וולט, צריכת ההספק הכללית תהיה 500 מילי-ואט, בעוד שרק 330 מילי-ואט היו ממלאים תפקיד שימושי. ההספק הגולמי צריך להיות ב-51% גבוה יותר מאשר זה הדרוש למעשה, ומכאן אנרגיה מבוזבזת ועלות גבוהה יותר. לשם השוואה, נעיין בווסת dc-to-dc בעל יעילות של 90%. הדרישה הכוללת ממקור של 5 וולט תהיה 74 מילי-אמפר, דרישה יותר קטנה משמעותית, המפחיתה הן את ההספק והן את העלות במרוצת הזמן.
במערכות כגון תחנות בסיס אלחוטיות, ההספק מופק לעתים קרובות מספק כוח יחיד של זרם גבוה. לעתים קרובות הספק זה עובר ויסות כלפי מטה דרך מספר דרגות מורידות מתח לפני הגעתו לרכיבים הליניאריים ושל האות-המעורב. כל אחת מדרגות הורדה אלו, אם כי הן יכולות להיות יעילות למדי, גורמת להספק מסוים מבוזבז. האיור הר”מ מראה מערכת טיפוסית בה ההספק מווסת כלפי מטה מפס הספק של 12 וולט. שלוש או יותר דרגות הורדה עשויות להיות מעורבות בהספקת ההספק ל-ADC ולרכיבים אנלוגיים נוספים. הדרגה האחרונה, שהיא לרוב LDO, היא בד”כ הכי פחות יעילה מבין דרגות ההורדה. אפילו וסתי dc-to-dc יעילים המגיעים ליעילות של 90% יפיקו יעילות של רק 81% כאשר יחוברו ברצף פעמיים, כמתואר באיור 2. כאשר ה-LDOs חייבים לשמש בדרגת הויסות הסופית המצב יהיה עוד יותר גרוע.
שיפורים אחרונים בטכנולוגיית ספקי כוח dc-to-dc ותדרי מיתוג גבוהים יותר אפשרו הפעלת ADC ישירות מספקי כוח dc-to-dc ללא הפסדים בביצועים וביעילות משמעותית יותר גבוהה. איור 3 מראה מעגל הורדה טיפוסי כאשר ה-LDO מבוטל.
בנוסף, מערכות רבות משתמשות ב-LDO נפרד עבור כל ADC. LDOs נפרדים שימשו ליצירת בידוד רעש בין ADCs שונים ולהקטנת ההספק המפוזר בכל LDO. הפרדה זו מפזרת את החום הנוצר ב-ADOs ומאפשרת שימוש ב-LDOs במנות קטנות. בשל היעילות הגבוהה יותר של ממירי מיתוג, ממתג אחד יכול להזין ADCs אחדים ורכיבים ליניאריים אחרים, ללא פיזור הספק מופרז ויצירת חום שעשויים להופיע כאשר משתמשים ב-LDO יחיד גדול. שימוש בחרוזי פריט מסננים במוצא של ספק המיתוג מספק בידוד בין רכיבים
החולקים אותו פס הספק. שימוש בממתג מפחית את הצורך בווסתים במערכת, וגורם לחיסכון ניכר בהספק ולעלות כרטיסים מופחתת, על-ידי ביטול LDOs ומעגלים קשורים מיותרים.
מהמעבדה
ממיר אנלוגי לדיגיטלי 16 ביט, 125 MSPS דוגמת ה-AD9268 של Analog Devices משיג רעש נמוך מאוד עם יחס אות לרעש של 78 dB. רצפת הרעש הנמוכה של -152 dBm/Hz הופכת אותו לאידיאלי עבור ביצוע הערכות עם ספק כוח ממותג. כל רעש נוסף או תוכן אקראי הנתרם על-ידי הממיר dc-to-dc יופיע בבירור בספקטרום המוצא של הממיר. הממיר זווג עם וסת מוריד PWM ADP2114 של Analog Devices. וסת מוריד כפול- מוצא זה הוא יעיל עד 95%, פועל בתדר מיתוג גבוה והוא בעל רעש נמוך.
מחקר מעבדתי השווה את ביצועי ה-ADC עם וסתים ליניאריים לעומת ביצועיו כאשר משתמשים בווסת מיתוג. ניסויים אלה בוצעו תוך שימוש בכרטיס הערכת הממיר של לקוח. לממיר שני מבואות הספקה: AVDD מזין את החלק האנלוגי, בעוד DRVDD מזין את החלקים הדיגיטלי והמוצא. לשם השוואה, הממיר הוערך תחילה עם שני וסתים ליניאריים (Analog Devices ADP1706), המספקים את שני המתחים AVDD ו-DRVDD. התסדיר של ניסוי זה מוצג באיור 4. הממיר הוזן לאחר מכן עם וסת מיתוג, כמתואר באיור 5. אחד המוצאים של וסת המיתוג סיפק AVDD; השני סיפק DRVDD.
בשתי ההתקנות, מקור המבוא האנלוגי היה SMA-100 של Rhode & Schwartz עם מסנן מעביר פס K&L. המבוא האנלוגי הוזן דרך רשת מבוא בלון (balun) כפול, הממיר את המוצא המוארק של מחולל האותות למבוא דיפרנציאלי עבור ה-ADC. מקור השעון של הדגימה היה מתנד נמוך-ריצוד Wenzel, אשר הוזן גם הוא דרך מעגל בלון לשם המרה מהמוארק לדיפרנציאלי. פס ההזנה במבוא (לפני הווסתים) כוון ל-3.6 וולט עבור שתי המדידות.
תוצאות הביצועים של ה-ADC
ביצועי הממיר נמדדו עבור כל תצורה של ספק כדי לקבוע באם חלה כל הפחתה בהם כאשר משתמשים בספקים ממתוגים. ה-SNR וה-SFDR נמדדו עם מספר תדרי מבוא; התוצאות, המסוכמות בטבלה 1, מצביעות על כך שאין הבדל משמעותי בין ה-SNR וה-SFDR כאשר משתמשים בווסתים ליניאריים לעומת השימוש בספקי מיתוג.
הווסת הממותג יכול לפעול אסינכרונית או סינכרונית לשעון הדגימה של הממיר מבלי להשפיע על ביצועי הממיר. הסנכרון מעניק חופש נוסף ביישומים בהם יש בכך יתרון.
גרפי FFT
איור 6 ואיור 7 מראים FFTs של ה-AD9268 עם תדר מבוא אנלוגי של 70 מגה-הרץ תוך שימוש בספקים ליניאריים לעומת ספקים ממותגים.
תוצאות היעילות
טבלה 2 מציגה את היעילות המדודה של כל פתרון הספק. עם מתח מבוא של 3.6 וולט, וסת המיתוג מספק 35% שיפור ביעילות וחיסכון של 640 מילי-ואט. חסכונות אלה הם עבור ממיר יחיד ויגברו משמעותית בשימוש עם ADCs מרובים.
תמונות תרמיות
איורים 8 ו-9 להלן מראים את ההבדלים בחום הנוצר בחלק ספק הכוח של הכרטיס תוך שימוש בספק ה-LDO לעומת ה-ADP2114. קנה המידה של שתי התמונות זהה. נקודות המדידה SP01, SP02 ו-SP03 מראות את הטמפרטורה של הווסתים הליניאריים, הפעילים באיור 8. SP06 באיור 9 מראה את הטמפרטורה של ה-ADP2114, שהיא 10oC עד 15oC נמוכה מהווסתים הליניאריים המוצגים באיור 8. SP04 מראה את הטמפרטורה של ה-AD9268, שהיא דומה בשתי התמונות. שים לב שבאיור 8 טמפרטורת הרקע הכולל היא יותר גבוהה , ושורת דיודות חסימה (ללא תיוג) נושאת בעומס תרמי הרבה יותר גבוה.
פרטי המעגל
איור 10 מראה את סכימת המעגל המפורטת ששימשה עבור וסת המיתוג, אשר עוצב לפעול במוד PWM מאולץ עם הערוצים מכוונים ל-2 אמפר מוצא נפרד. תדר המיתוג של הווסת נקבע ל-1.2 מגה-הרץ בעזרת הצבת נגד של 27 קילו-אוהם בין פין ה-FREQ ופין ה-GND. בנוסף למעגל המוצג, נכלל חרוז פריט בין הממתג וה-ADC, ועל-יד פיני ההספקה של ה-ADC הוצבו קבלי מעקף סטנדרטיים. תכנון זה מאפשר 220 מיקרו-וולט של גליות מיתוג ופחות מ-6 מיקרו-וולט של רעש בתדר גבוה במוצא ה-ADP2114. חרוז הפריט הנוסף והמעקף על-ידי ה-AD9268 מקטין זאת ל-300 ננו-וולט ורעש של פחות מ-3 מיקרו-וולט בפיני ההספק של ה-ADC.
להלן רשימת החלקים ומידע על התסדיר. שים לב בתסדיר שסלילי המיתוג L101 ו-L-102 הם בשני צידי בכרטיס מה-ADC ורכיבי נתיב האות. מיקום זה מסייע למזער כל צימוד אפשרי בין סלילים אלה והרכיבים על הצד העליון של הכרטיס, במיוחד הבלונים בנתיבי האות והשעון. בכל תסדיר עם ממיר מיתוג, יש למנוע צימוד שדה מגנטי או חשמלי.
סיכום
המאמר מוכיח שניתן להזין ישירות ממירים אנלוגי לדיגיטלי מספקי כוח ממותגים ללא הפחתה בביצועים אם נוקטים במשנה זהירות. בביצועי הממיר לא נרשמה כל הפחתה כאשר הוא הוזן על-ידי הספק הממותג ADP2114 לעומת ההזנה הליניארית של ה-ADP1708. השימוש בספק כוח ממותג עשוי לשפר את יעילות ההזנה ב-%30 עד %40, ולהקטין משמעותית את צריכת ההספק הכוללת – אף יותר מאשר בחירה פשוטה של ממיר הספק נמוך יותר. במערכות רבות, התקנים אלה פועלים ברציפות, כך שהשימוש בספקי כוח ממותגים גורם לעלויות תפעול נמוכות יותר משמעותית, ללא כל נזק בביצועים.
