【導(dǎo)讀】在精密電子系統(tǒng)設(shè)計中，電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（IDAC）的過熱問題一直是困擾工程師的技術(shù)難點。當IDAC驅(qū)動負載時，其內(nèi)部功率損耗主要來源于電源電壓與負載輸出電壓之間的差值，這種電壓差會導(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，影響器件長期可靠性，還會嚴重制約系統(tǒng)整體能效表現(xiàn)。針對這一挑戰(zhàn)，本文提出一種創(chuàng)新的動態(tài)功率控制策略，通過實時優(yōu)化調(diào)整IDAC的供電電壓，確保其在滿足輸出需求的同時，始終工作在最低功耗狀態(tài)。該方案配合ADI公司先進的單電感多輸出（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)計中，電流輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（IDAC）的過熱問題一直是困擾工程師的技術(shù)難點。當IDAC驅(qū)動負載時，其內(nèi)部功率損耗主要來源于電源電壓與負載輸出電壓之間的差值，這種電壓差會導(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，影響器件長期可靠性，還會嚴重制約系統(tǒng)整體能效表現(xiàn)。針對這一挑戰(zhàn)，本文提出一種創(chuàng)新的動態(tài)功率控制策略，通過實時優(yōu)化調(diào)整IDAC的供電電壓，確保其在滿足輸出需求的同時，始終工作在最低功耗狀態(tài)。該方案配合ADI公司先進的單電感多輸出（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
圖1顯示了IDAC的簡化輸出級。需要注意的是用于拉（灌）電流的輸出PMOS (NMOS)驅(qū)動級。MOS級的源極連接到負載，因此負載電壓決定了IDAC的工作狀態(tài)。為了用精準的電流驅(qū)動負載，負載電壓應(yīng)足夠低（對于灌電流來說應(yīng)足夠高），以使輸出器件保持飽和狀態(tài)，進而維持高輸出阻抗。
圖1.IDAC的輸出級
熱約束
因此，IDAC的輸出級在提供輸出電流的同時，會消耗全部的電壓裕量，即電源電壓與負載電壓的差值。這會導(dǎo)致輸出級產(chǎn)生功耗，進而使器件溫度升高。片內(nèi)功耗就是裕量電壓與輸出電流的乘積。
片內(nèi)功耗會導(dǎo)致芯片的結(jié)溫上升至建議的工作限值以上，對具有高通道密度或較高環(huán)境溫度的系統(tǒng)而言可能是個大問題。
假設(shè)一個IDAC通道為10 Ω負載提供最大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通道提供低于滿量程的電流，或者降低負載阻抗，則負載電壓會降低，多余的裕量會作用在輸出MOS級上，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)手冊中提供。
TA是環(huán)境溫度。
也可以從另一個角度來看待公式1：對于給定的功耗，可以確定器件所能承受的最高環(huán)境溫度，如公式2所示。
對于49引腳WLCSP封裝，最大結(jié)溫TJ(MAX)不能超過115°C，該封裝的熱阻θJA為30°C/W。在上例中，單個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。
如果單個封裝中有四個通道，每個通道的內(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)境溫度進一步降低，僅有97°C。
在當今的光通信系統(tǒng)中，通道密度要求不斷提高，97°C的TA(MAX)顯然會成為終端應(yīng)用中的一個問題。在單個電路板或系統(tǒng)中，通常使用多通道電流輸出DAC來驅(qū)動光負載，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)計可能會導(dǎo)致系統(tǒng)溫度顯著升高。
動態(tài)功率控制
使用動態(tài)變化的PVDD電源電壓可以緩解片內(nèi)功耗過大的問題，這種方法也被稱為動態(tài)功率控制(DPC)。DPC力求根據(jù)任何特定的輸出電流和負載電壓，提供剛好能夠保證IDAC通道正常工作的PVDD電源電壓。
DPC有多種不同的實現(xiàn)方法。一種方法是利用ADC檢測負載電壓，再由微控制器計算所需的PVDD電壓。然后，該電源電壓可由另一個電壓或拉/灌電流DAC設(shè)置，甚至由所用IDAC的另一個通道來設(shè)置。
DAC可以通過多種方式來改變PVDD。圖2和圖3分別顯示了利用電壓和電流輸出DAC來調(diào)節(jié)開關(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。
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
本文詳細介紹了IDAC AD5770R動態(tài)功率控制的一種簡單實現(xiàn)方案，它使用精密模擬微控制器ADuCM410作為主機，并采用了SIMO開關(guān)穩(wěn)壓器MAX77655。
圖4.動態(tài)功率控制解決方案的實現(xiàn)
對于ADI公司的其他IDAC系列，可以采用ADI公司的其他開關(guān)穩(wěn)壓器來實現(xiàn)這種解決方案。MAX77655使用I2C總線控制其輸出電壓，因此不需要前面提到的DAC。
測試動態(tài)功率控制
圖4顯示了用于展示動態(tài)功率控制優(yōu)勢的完整系統(tǒng)設(shè)計。SIMO穩(wěn)壓器通道用于為IDAC的各個PVDD電源供電。主機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，可提取每個通道的輸出電流和負載電壓。主機控制器的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)用于檢測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：一類用于IDAC驅(qū)動已知阻抗的情況，另一類用于IDAC驅(qū)動未知或變化阻抗的情況。
對于已知阻抗，微控制器可以通過計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。
對于未知阻抗，或者更常見的是，對于阻抗隨溫度而變化的負載，主機控制器可以在PVDD電源電壓足夠高的時候，首先檢測負載電壓。然后，控制器可以將PVDD電源電壓降至最優(yōu)值，即負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)字碼改變時觸發(fā)，或者以固定的時間間隔觸發(fā)，具體觸發(fā)方式取決于最終應(yīng)用的需求。
無論采用何種方法，值得注意的一個關(guān)鍵規(guī)格是IDAC的最小裕量電壓規(guī)格。PVDD電源電壓和負載電壓的任何差異都會作用在IDAC輸出級上，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IDAC通道(IDAC5)的結(jié)果，其滿量程電流范圍為100 mA，用于驅(qū)動22 Ω負載。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。主機微控制器上運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電源電壓和負載電壓的差值來計算。我們計算了兩種情況下的功耗：一種是有DPC，一種是沒有DPC。在沒有DPC的情況下，PVDD電源電壓固定在2.5 V，AVEE = 0 V。
通過測量開關(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由開關(guān)穩(wěn)壓器輸出直接驅(qū)動（如圖4所示），因此預(yù)計會出現(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DAC電源交流變化的抑制能力。如果應(yīng)用需要，可以優(yōu)化SIMO的輸出電容和/或在SIMO PMIC輸出端使用濾波器，從而進一步消除紋波。這些曲線圖是在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，因為IDAC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）
實現(xiàn)方案
根據(jù)最終應(yīng)用，硬件實現(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）以提供負電源。這兩種情況都沒有顯示微控制器。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)過評估，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：單極性電源。下方：雙極性電源。
結(jié)論
總而言之，動態(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，同時不會對負載運行造成不利影響。SIMO拓撲的開關(guān)穩(wěn)壓器是驅(qū)動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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