【导读】于周详电子体系设计中，电流输出型数模转换器（IDAC）的过热问题一直是困扰工程师的技能难点。当IDAC驱动负载时，其内部功率损耗重要来历在电源电压与负载输出电压之间的差值，这类电压差会致使芯片内部孕育发生显著功耗，不仅激发温度急剧上升，影响器件持久靠得住性，还有会严峻制约体系总体能效体现。针对于这一挑战，本文提出一种立异的动态功率节制计谋，经由过程及时优化调解IDAC的供电电压，确保其于满意输出需求的同时，始终事情于最低功耗状况。该方案共同ADI公司进步前辈的单电感多输出（SIMO）电源技能，不仅能有用节制芯片温升，还有显著缩小了体系体积，为高密度电子装备提供了抱负的解决方案。

于周详电子体系设计中，电流输出型数模转换器（IDAC）的过热问题一直是困扰工程师的技能难点。当IDAC驱动负载时，其内部功率损耗重要来历在电源电压与负载输出电压之间的差值，这类电压差会致使芯片内部孕育发生显著功耗，不仅激发温度急剧上升，影响器件持久靠得住性，还有会严峻制约体系总体能效体现。针对于这一挑战，本文提出一种立异的动态功率节制计谋，经由过程及时优化调解IDAC的供电电压，确保其于满意输出需求的同时，始终事情于最低功耗状况。该方案共同ADI公司进步前辈的单电感多输出（SIMO）电源技能，不仅能有用节制芯片温升，还有显著缩小了体系体积，为高密度电子装备提供了抱负的解决方案。

道理

IDAC的输出级

图1显示了IDAC的简化输出级。需要留意的是用在拉（灌）电流的输出PMOS (NMOS)驱动级。MOS级的源极毗连到负载，是以负载电压决议了IDAC的事情状况。为了用精准的电流驱动负载，负载电压应充足低（对于在灌电流来讲应充足高），以使输出器件连结饱及状况，进而维持高输出阻抗。

图1.IDAC的输出级

热约束

是以，IDAC的输出级于提供输出电流的同时，会耗损全数的电压裕量，即电源电压与负载电压的差值。这会致使输出级孕育发生功耗，进而使器件温度升高。片内功耗就是裕量电压与输出电流的乘积。

片内功耗会致使芯片的结温上升至建议的事情限值以上，对于具备高通道密度或者较高情况温度的体系而言多是个年夜问题。

假定一个IDAC通道为10 Ω负载提供最年夜300 mA的输出电流，IDAC电源PVDD为3.5 V，响应的负载电压VOUT为3 V，如图1所示。是以，裕量电压为0.5 V，片内功耗约为0.5 V × 300 mA = 0.15 W。假如随后让IDAC通道提供低在满量程的电流，或者者降低负载阻抗，则负载电压会降低，过剩的裕量会作用于输出MOS级上，体现为片内散热。

器件结温与功耗的瓜葛如公式1所示。

此中：

TJ是结温。

PDISS是片内功耗。

θJA是结热阻，凡是于数据手册中提供。

TA是情况温度。

也能够从另外一个角度来对待公式1：对于在给定的功耗，可以确定器件所能蒙受的最高情况温度，如公式2所示。

对于在49引脚WLCSP封装，最年夜结温TJ(MAX)不克不及跨越115°C，该封装的热阻θJA为30°C/W。于上例中，单个IDAC通道的内部功耗PDISS为0.15 W，故温升为0.15 W × 30°C/W = 4.5°C。最高安全情况温度降低至110.5°C。

假如单个封装中有四个通道，每一个通道的内部功耗为0.15 W，则片内总功耗为0.6 W。四个通道致使的温升为PDISS× θJA= 0.6 W × 30°C/W = 18°C。是以，最高安全情况温度进一步降低，仅有97°C。

于现今的光通讯体系中，通道密度要求不停提高，97°C的TA(MAX)显然会成为终端运用中的一个问题。于单个电路板或者体系中，凡是利用多通道电流输出DAC来驱动光负载，例如激光二极管、硅光放年夜器及硅光电倍增管。此外，高密度设计可能会致使体系温度显著升高。

动态功率节制

利用动态变化的PVDD电源电压可以减缓片内功耗过年夜的问题，这类要领也被称为动态功率节制(DPC)。DPC力图按照任何特定的输出电流及负载电压，提供恰好可以或许包管IDAC通道正常事情的PVDD电源电压。

DPC有多种差别的实现要领。一种要领是使用ADC检测负载电压，再由微节制器计较所需的PVDD电压。然后，该电源电压可由另外一个电压或者拉/灌电流DAC设置，甚至由所用IDAC的另外一个通道来设置。

DAC可以经由过程多种方式来转变PVDD。图2及图3别离显示了使用电压及电流输出DAC来调治开关模式稳压器的输出，该稳压用具有可编程输出及反馈(FB)节点。

图2.使用电压输出DAC转变DC-DC转换器的输出

图3.使用拉/灌电流DAC转变DC-DC转换器的输出

本文具体先容了IDACAD5770R动态功率节制的一种简朴实现方案，它利用周详模仿微节制器ADuCM410作为主机，并采用了SIMO开关稳压器MAX77655。

图4.动态功率节制解决方案的实现

对于在ADI公司的其他IDAC系列，可以采用ADI公司的其他开关稳压器来实现这类解决方案。MAX77655利用I2C总线节制其输出电压，是以不需要前面提到的DAC。

测试动态功率节制

图4显示了用在展示动态功率节制上风的完备体系设计。SIMO稳压器通道用在为IDAC的各个PVDD电源供电。主机微节制器用在节制稳压器输出及IDAC输出电流。IDAC内置诊断多路复用器，可提取每一个通道的输出电流及负载电压。主机节制器的内置模数转换器(ADC)用在检测IDAC的多路复用输出并将其数字化。

DPC算法有多种情势，但年夜致可以分为两类：一类用在IDAC驱动已经知阻抗的环境，另外一类用在IDAC驱动未知或者变化阻抗的环境。

对于在已经知阻抗，微节制器可以经由过程计较得悉所需的最小电源电压，并响应地设置PVDD电源电压。

对于在未知阻抗，或者者更常见的是，对于在阻抗随温度而变化的负载，主机节制器可以于PVDD电源电压充足高的时辰，起首检测负载电压。然后，节制器可以将PVDD电源电压降至最优值，即负载电压及最小裕量电压之及。此步调可以于每一次IDAC通道数字码转变时触发，或者者以固定的时间距离触发，详细触发方式取决在终极运用的需求。

不管采用何种要领，值患上留意的一个要害规格是IDAC的最小裕量电压规格。PVDD电源电压及负载电压的任何差异城市作用于IDAC输出级上，致使片内散热。

成果

出在演示目的，图5仅绘制了一个IDAC通道(IDAC5)的成果，其满量程电流规模为100 mA，用在驱动22 Ω负载。需要留意的是，该IDAC的最小(PVDD–AVEE)电源要求为2.5 V，最小裕量电压为0.275 V。主机微节制器上运行的固件代码必需遵守这些限定。

图5.片内功耗比力和PVDD电源电压

片内功耗使用PVDD电源电压及负载电压的差值来计较。咱们计较了两种环境下的功耗：一种是有DPC，一种是没有DPC。于没有DPC的环境下，PVDD电源电压固定于2.5 V，AVEE = 0 V。

经由过程丈量开关稳压器3.3 V输入端及IDAC的AVDD引脚的电流，还有可以获得体系的总功耗。图6显示了于0 mA至100 mA的整个电流规模内，体系从3.3 V电源耗损的总功率。

图6.有DPC及无DPC两种环境下的体系总功耗

图7及图8显示了于PVDD及IDAC通道引脚上不雅察到的纹波图。IDAC由开关稳压器输出直接驱动（如图4所示），是以估计会呈现必然量的纹波，详细巨细取决在IDAC的交流电源按捺比(PSRR)规格。交流PSRR权衡输出电流对于DAC电源交流变化的按捺能力。假如运用需要，可以优化SIMO的输出电容及/或者于SIMO PMIC输出端利用滤波器，从而进一步消弭纹波。这些曲线图是于SIMO输出端及IDAC电源引脚之间利用LC滤波器后得到的。建议利用低ESR的电感，由于IDAC可以提供或者接收年夜量电流。

图7.利用交流耦合输入的IDAC5 100 mA规模的满量程纹波图（交流耦合）

图8.利用交流耦合输入的IDAC5 100 mA规模的半量程纹波图（交流耦合）

实现方案

按照终极运用，硬件实现可以采用差别的情势。图11显示了两种方案：一种采用单极性电源，仅有MAX77655（顶部）；另外一种采用双极性电源，外加了DC-DC转换器ADP5073（底部）以提供负电源。这两种环境都没有显示微节制器。如图所示，两种方案都很是紧凑，尺寸别离为1.275 × 0.605 及1.502 × 0.918 。两种方案均未颠末评估，仅用在演示解决方案的紧凑性。成果是利用分立电路板得到的。图9及图10显示了相干解决方案的3D衬着效果。

图9.采用单极性电源的终极解决方案的3D效果图

图10.采用双极性电源的终极解决方案的3D效果图

图11.利用SIMO PMIC作为电源解决方案的结构示例。上方：单极性电源。下方：双极性电源。

结论

总而言之，动态功率节制可以或许削减电流输出DAC的片内功耗，并降低总功耗，同时不会对于负载运行造成倒霉影响。SIMO拓扑的开关稳压器是驱动AD5770R等IDAC的抱负解决方案，并且于结构上很是紧凑，能效也很精彩。

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