利用快速、高精度SAR型模数转换器延长电池寿命

。当SCLK为10 MHz时，同一系统的静态时间仅占84%，也就是说转换用时为160 ms。因此，要实现最佳功耗性能，转换器应以可支持的最高SCLK频率工作。

针对低功耗应用而设计时，有个很重要的参数却往往被忽视，即输出引脚(尤其是SCLK、CS和SDO等通信接口引脚)上的容性负载，因为这些I/O变量会在转换过程中不断改变状态。输出端上的容性负载等于驱动器IC本身的引脚电容、输入引脚的引脚电容以及PCB走线电容之和。走线电容通常都很小，处于飞法范围内，因此意义不大。为容性负载充电所需的功率(PL)是负载(CL)、驱动电压(VDRIVE)以及充电频率(f)的函数，其定义如等式3所示。

因此，整个系统的功率等于负载电容(CLn)和开关频率(fn)乘积之和乘以驱动电压的平方。

由于ADC驱动SDO引脚，主机微控制器驱动CS、CONVST和SCLK引脚，因此可通过尽可能减少所有器件的引脚电容来实现最低功耗。

对于CS和CONVST引脚，开关频率仅取决于吞吐速率。如前所述，SCLK频率应设置为可支持的最大频率，以便降低功耗。这并不矛盾：重要的是SCLK并不是自由运行——它应该仅在尽可能短的时间内激活，以便在SDO线路上传播每个位检验的结果并控制转换过程。这点依器件和分辨率而定，但通常为每位一个周期，再加上一些开销;对于12位转换器SPI接口，每次采样约为16个SCLK周期。因此，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换结果。虽然这个无法进行控制，但是设计人员应该了解它会对转换功耗造成什么影响。当结果为101010…序列时，功耗最大;当结果为全1或全0时，功耗最小。

除了降低吞吐速率之外，减小VDRIVE电压也可明显降低功耗。模数转换器通过单电源引脚或单独的电源来为模拟电路和数字接口供电。使用单独的VDRIVE电源时，设计灵活性更高并且无需电平转换器，因为模数接口电压可与SPI主机的电压相匹配。为VDRIVE 选择可用的最低电压时，系统功耗将最低。

图2比较了12位ADC在VDRIVE值为3 V和1.8 V时标准SPI接口(含CS、SDO和SCLK)的典型功耗要求与总容性负载的关系，其中吞吐速率为100 kSPS、每次转换16个SCLK周期以及最差情况SDO输出为1010。

图2. 典型接口功耗与容性负载的关系

ADC电路设计的其它典型构成要素包括基准电压源和运算放大器。不言而喻，应针对低功耗认真选择这些元件。有些基准电压源带有关断模式，以便在非活动期间降低功耗。放大器选择视应用而定，因此应考虑到系统吞吐速率，以确保所选放大器能够使ADC性能达到最佳，同时使功耗降至最低。

12位AD7091R专为低功耗应用而设计，具有一个SPI接口和一个片内精密2.5 V基准电压源，采样速率为1 MSPS。转换通过CONVST引脚启动。片内振荡器控制转换过程，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应用。单独的1.65 V至5.25 V VDRIVE电源则可降低功耗，并提高系统集成能力。

采样速率为1 MSPS且VDD为3 V时，AD7091R功耗为349 μA(典型值)。由于其功率与吞吐速率成正比，因此100 kSPS时静态电流为55 μA。不执行转换但基准电压源激活时，静态电流为21.6 μA;在关断模式下，电流仅为264 nA。AD7091R采用10引脚MSOP或LFCSP封装。

驱动AD7091R的典型放大器包括AD8031(针对快速吞吐速率应用)和AD8420(针对较低带宽应用)。采用2.7 V电源供电时，AD8031的静态功耗为750 μA(典型值);采用5 V电源供电时，AD8420的静态功耗为70 μA(典型值)。

图3所示为通过CR2032锂电池供电时AD7091R的典型功耗和计算得出的电池寿命。可以清楚看出，随着吞吐速率降低，电池寿命明显延长。

图3. AD7091R电池寿命和功耗与吞吐速率的关系

与多数其它ADC相比，AD7091R可以在功耗预算上实现显著节省效果。例如，与最接近的可用竞争产品(一款不带内部基准电压源的器件)相比时，对于1 MSPS吞吐速率，AD7091R可使功耗降低3倍(对于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电池寿命延长400小时。考虑需要外部基准电压源的其它器件时，节省效果更为明显。

结论

除延长电池寿命之外，降低功耗还有其它很多好处。产生的热量变少，进而使尺寸变小。稳定性因温度应力降低而得以提高。由于采用更小的元件，因此PCB尺寸得以缩小;另外，由于无需散热器之类的配件，因此元件数量得以减少;这些使系统成本降低。

本文概述了系统设计人员在采用ADC的设计中优化功耗时应考虑到的几个重要因素和好处。