【導(dǎo)讀】在精密電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（IDAC）的過(guò)熱問(wèn)題一直是困擾工程師的技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)IDAC驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，其內(nèi)部功率損耗主要來(lái)源于電源電壓與負(fù)載輸出電壓之間的差值，這種電壓差會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部產(chǎn)生顯著功耗，不僅引發(fā)溫度急劇上升，影響器件長(zhǎng)期可靠性，還會(huì)嚴(yán)重制約系統(tǒng)整體能效表現(xiàn)。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本文提出一種創(chuàng)新的動(dòng)態(tài)功率控制策略，通過(guò)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整IDAC的供電電壓，確保其在滿(mǎn)足輸出需求的同時(shí)，始終工作在最低功耗狀態(tài)。該方案配合ADI公司先進(jìn)的單電感多輸出（SIMO）電源技術(shù)，不僅能有效控制芯片溫升，還顯著縮小了系統(tǒng)體積，為高密度電子設(shè)備提供了理想的解決方案。
在精密電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（IDAC）的過(guò)熱問(wèn)題一直是困擾工程師的技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)IDAC驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，其內(nèi)部功率損耗主要來(lái)源于電源電壓與負(fù)載輸出電壓之間的差值，這種電壓差會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部產(chǎn)生顯著功耗，不僅引發(fā)溫度急劇上升，影響器件長(zhǎng)期可靠性，還會(huì)嚴(yán)重制約系統(tǒng)整體能效表現(xiàn)。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本文提出一種創(chuàng)新的動(dòng)態(tài)功率控制策略，通過(guò)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整IDAC的供電電壓，確保其在滿(mǎn)足輸出需求的同時(shí)，始終工作在最低功耗狀態(tài)。該方案配合ADI公司先進(jìn)的單電感多輸出（SIMO）電源技術(shù)，不僅能有效控制芯片溫升，還顯著縮小了系統(tǒng)體積，為高密度電子設(shè)備提供了理想的解決方案。
原理
IDAC的輸出級(jí)
圖1顯示了IDAC的簡(jiǎn)化輸出級(jí)。需要注意的是用于拉（灌）電流的輸出PMOS (NMOS)驅(qū)動(dòng)級(jí)。MOS級(jí)的源極連接到負(fù)載，因此負(fù)載電壓決定了IDAC的工作狀態(tài)。為了用精準(zhǔn)的電流驅(qū)動(dòng)負(fù)載，負(fù)載電壓應(yīng)足夠低（對(duì)于灌電流來(lái)說(shuō)應(yīng)足夠高），以使輸出器件保持飽和狀態(tài)，進(jìn)而維持高輸出阻抗。
圖1.IDAC的輸出級(jí)
熱約束
因此，IDAC的輸出級(jí)在提供輸出電流的同時(shí)，會(huì)消耗全部的電壓裕量，即電源電壓與負(fù)載電壓的差值。這會(huì)導(dǎo)致輸出級(jí)產(chǎn)生功耗，進(jìn)而使器件溫度升高。片內(nèi)功耗就是裕量電壓與輸出電流的乘積。
片內(nèi)功耗會(huì)導(dǎo)致芯片的結(jié)溫上升至建議的工作限值以上，對(duì)具有高通道密度或較高環(huán)境溫度的系統(tǒng)而言可能是個(gè)大問(wèn)題。
假設(shè)一個(gè)IDAC通道為10 Ω負(fù)載提供最大300 mA的輸出電流，IDAC電源PVDD為3.5 V，相應(yīng)的負(fù)載電壓VOUT為3 V，如圖1所示。因此，裕量電壓為0.5 V，片內(nèi)功耗約為0.5 V × 300 mA = 0.15 W。如果隨后讓IDAC通道提供低于滿(mǎn)量程的電流，或者降低負(fù)載阻抗，則負(fù)載電壓會(huì)降低，多余的裕量會(huì)作用在輸出MOS級(jí)上，表現(xiàn)為片內(nèi)散熱。
器件結(jié)溫與功耗的關(guān)系如公式1所示。
其中：
TJ是結(jié)溫。
PDISS是片內(nèi)功耗。
θJA是結(jié)熱阻，通常在數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供。
TA是環(huán)境溫度。
也可以從另一個(gè)角度來(lái)看待公式1：對(duì)于給定的功耗，可以確定器件所能承受的最高環(huán)境溫度，如公式2所示。
對(duì)于49引腳WLCSP封裝，最大結(jié)溫TJ(MAX)不能超過(guò)115°C，該封裝的熱阻θJA為30°C/W。在上例中，單個(gè)IDAC通道的內(nèi)部功耗PDISS為0.15 W，故溫升為0.15 W × 30°C/W = 4.5°C。最高安全環(huán)境溫度降低至110.5°C。
如果單個(gè)封裝中有四個(gè)通道，每個(gè)通道的內(nèi)部功耗為0.15 W，則片內(nèi)總功耗為0.6 W。四個(gè)通道導(dǎo)致的溫升為PDISS × θJA = 0.6 W × 30°C/W = 18°C。因此，最高安全環(huán)境溫度進(jìn)一步降低，僅有97°C。
在當(dāng)今的光通信系統(tǒng)中，通道密度要求不斷提高，97°C的TA(MAX)顯然會(huì)成為終端應(yīng)用中的一個(gè)問(wèn)題。在單個(gè)電路板或系統(tǒng)中，通常使用多通道電流輸出DAC來(lái)驅(qū)動(dòng)光負(fù)載，例如激光二極管、硅光放大器和硅光電倍增管。此外，高密度設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度顯著升高。
動(dòng)態(tài)功率控制
使用動(dòng)態(tài)變化的PVDD電源電壓可以緩解片內(nèi)功耗過(guò)大的問(wèn)題，這種方法也被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)功率控制(DPC)。DPC力求根據(jù)任何特定的輸出電流和負(fù)載電壓，提供剛好能夠保證IDAC通道正常工作的PVDD電源電壓。
DPC有多種不同的實(shí)現(xiàn)方法。一種方法是利用ADC檢測(cè)負(fù)載電壓，再由微控制器計(jì)算所需的PVDD電壓。然后，該電源電壓可由另一個(gè)電壓或拉/灌電流DAC設(shè)置，甚至由所用IDAC的另一個(gè)通道來(lái)設(shè)置。
DAC可以通過(guò)多種方式來(lái)改變PVDD。圖2和圖3分別顯示了利用電壓和電流輸出DAC來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器的輸出，該穩(wěn)壓器具有可編程輸出和反饋(FB)節(jié)點(diǎn)。
圖2.利用電壓輸出DAC改變DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出
圖3.利用拉/灌電流DAC改變DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出
本文詳細(xì)介紹了IDAC AD5770R動(dòng)態(tài)功率控制的一種簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方案，它使用精密模擬微控制器ADuCM410作為主機(jī)，并采用了SIMO開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器MAX77655。
圖4.動(dòng)態(tài)功率控制解決方案的實(shí)現(xiàn)
對(duì)于ADI公司的其他IDAC系列，可以采用ADI公司的其他開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)這種解決方案。MAX77655使用I2C總線(xiàn)控制其輸出電壓，因此不需要前面提到的DAC。
測(cè)試動(dòng)態(tài)功率控制
圖4顯示了用于展示動(dòng)態(tài)功率控制優(yōu)勢(shì)的完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)。SIMO穩(wěn)壓器通道用于為IDAC的各個(gè)PVDD電源供電。主機(jī)微控制器用于控制穩(wěn)壓器輸出和IDAC輸出電流。IDAC內(nèi)置診斷多路復(fù)用器，可提取每個(gè)通道的輸出電流和負(fù)載電壓。主機(jī)控制器的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)用于檢測(cè)IDAC的多路復(fù)用輸出并將其數(shù)字化。
DPC算法有多種形式，但大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)用于IDAC驅(qū)動(dòng)已知阻抗的情況，另一類(lèi)用于IDAC驅(qū)動(dòng)未知或變化阻抗的情況。
對(duì)于已知阻抗，微控制器可以通過(guò)計(jì)算得知所需的最小電源電壓，并相應(yīng)地設(shè)置PVDD電源電壓。
對(duì)于未知阻抗，或者更常見(jiàn)的是，對(duì)于阻抗隨溫度而變化的負(fù)載，主機(jī)控制器可以在PVDD電源電壓足夠高的時(shí)候，首先檢測(cè)負(fù)載電壓。然后，控制器可以將PVDD電源電壓降至最優(yōu)值，即負(fù)載電壓和最小裕量電壓之和。此步驟可以在每次IDAC通道數(shù)字碼改變時(shí)觸發(fā)，或者以固定的時(shí)間間隔觸發(fā)，具體觸發(fā)方式取決于最終應(yīng)用的需求。
無(wú)論采用何種方法，值得注意的一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格是IDAC的最小裕量電壓規(guī)格。PVDD電源電壓和負(fù)載電壓的任何差異都會(huì)作用在IDAC輸出級(jí)上，導(dǎo)致片內(nèi)散熱。
結(jié)果
出于演示目的，圖5僅繪制了一個(gè)IDAC通道(IDAC5)的結(jié)果，其滿(mǎn)量程電流范圍為100 mA，用于驅(qū)動(dòng)22 Ω負(fù)載。需要注意的是，該IDAC的最小(PVDD–AVEE)電源要求為2.5 V，最小裕量電壓為0.275 V。主機(jī)微控制器上運(yùn)行的固件代碼必須遵守這些限制。
圖5.片內(nèi)功耗比較及PVDD電源電壓
片內(nèi)功耗利用PVDD電源電壓和負(fù)載電壓的差值來(lái)計(jì)算。我們計(jì)算了兩種情況下的功耗：一種是有DPC，一種是沒(méi)有DPC。在沒(méi)有DPC的情況下，PVDD電源電壓固定在2.5 V，AVEE = 0 V。
通過(guò)測(cè)量開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器3.3 V輸入端和IDAC的AVDD引腳的電流，還可以得到系統(tǒng)的總功耗。圖6顯示了在0 mA至100 mA的整個(gè)電流范圍內(nèi)，系統(tǒng)從3.3 V電源消耗的總功率。
圖6.有DPC和無(wú)DPC兩種情況下的系統(tǒng)總功耗
圖7和圖8顯示了在PVDD和IDAC通道引腳上觀察到的紋波圖。IDAC由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出直接驅(qū)動(dòng)（如圖4所示），因此預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)一定量的紋波，具體大小取決于IDAC的交流電源抑制比(PSRR)規(guī)格。交流PSRR衡量輸出電流對(duì)DAC電源交流變化的抑制能力。如果應(yīng)用需要，可以?xún)?yōu)化SIMO的輸出電容和/或在SIMO PMIC輸出端使用濾波器，從而進(jìn)一步消除紋波。這些曲線(xiàn)圖是在SIMO輸出端和IDAC電源引腳之間使用LC濾波器后獲得的。建議使用低ESR的電感，因?yàn)镮DAC可以提供或吸收大量電流。
圖7.使用交流耦合輸入的IDAC5 100 mA范圍的滿(mǎn)量程紋波圖（交流耦合）
圖8.使用交流耦合輸入的IDAC5 100 mA范圍的半量程紋波圖（交流耦合）
實(shí)現(xiàn)方案
根據(jù)最終應(yīng)用，硬件實(shí)現(xiàn)可以采用不同的形式。圖11顯示了兩種方案：一種采用單極性電源，僅有MAX77655（頂部）；另一種采用雙極性電源，外加了DC-DC轉(zhuǎn)換器ADP5073（底部）以提供負(fù)電源。這兩種情況都沒(méi)有顯示微控制器。如圖所示，兩種方案都非常緊湊，尺寸分別為1.275" × 0.605"和1.502" × 0.918"。兩種方案均未經(jīng)過(guò)評(píng)估，僅用于演示解決方案的緊湊性。結(jié)果是使用分立電路板獲得的。圖9和圖10顯示了相關(guān)解決方案的3D渲染效果。
圖9.采用單極性電源的最終解決方案的3D效果圖
圖10.采用雙極性電源的最終解決方案的3D效果圖
圖11.使用SIMO PMIC作為電源解決方案的布局示例。上方：?jiǎn)螛O性電源。下方：雙極性電源。
結(jié)論
總而言之，動(dòng)態(tài)功率控制能夠減少電流輸出DAC的片內(nèi)功耗，并降低總功耗，同時(shí)不會(huì)對(duì)負(fù)載運(yùn)行造成不利影響。SIMO拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是驅(qū)動(dòng)AD5770R等IDAC的理想解決方案，而且在布局上非常緊湊，能效也很出色。
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