应用笔记 4335

节能:一叶知秋


摘要 : 对于便携式设备,消费者迫切要求延长其电池寿命;对于非便携式设备,不断飙升的能源价格和最新的能源之星(Energy Star®)规划也促使公众更加关注待机功耗问题。因此,符合绿色能源规范并降低待机功耗已经成为设计者追求的新目标,特别是对于每天工作24小时的系统。为了满足低功耗要求,电路设计人员深知细节决定成败,需要对每一部分电路的电流进行仔细测算。本文介绍了Maxim芯片在典型系统中的应用,有助于设计人员降低系统功耗。文中给出的实例只是Maxim众多超低电流器件中的几个典型例子。

本文还发表在Maxim工程期刊,第65期(PDF,2.94MB)。

消费者迫切要求延长便携设备的电池寿命,这也是理所应当的要求。产品使用的便利性同样至关重要,这一理念已经渗透到全社会。例如,我们不愿意排队等候,不能忍受交通堵塞等等,我们往往会为享受特殊待遇而不吝啬于掏腰包。于是,我们有了自动提款机,能够每天24小时、每周7天提供全天候营业;数字录像机(DVR)使我们能够录制娱乐节目以供闲暇时欣赏;移动设备则为我们享受全天候的顺畅通信和自娱自乐提供保障;类似的事例还有很多。“小巧、轻便、快捷和简单”是当今消费者的追求。作为产品设计人员,我们深知满足这些需求是走向成功的必由之路。

更高程度的“绿色”环保设计需要综合考虑系统整合、结构、元件选择以及功能管理等多方面技术,从而节约便携系统每一微安的电流,节约电力线供电系统每一毫安甚至更多的电流。便携系统中,设计人员习惯以微安为单位计算电流。然而,当电路板上一个指纹大小的污渍所产生的漏电流超过一个芯片的待机电流时,设计人员也不得不做出让步。

“Little Things Mean a Lot”,这是一首流行了50年的老歌,它启发我们如何设计满足当前市场需求的便携产品。我们首先想到的“大”问题是:处于休眠状态的微处理器、显示器耗电以及闪存,随后需要考虑的是其它电路。细节决定成败,每一部分电路的电流都要仔细考量。不同地区的要求可能不尽相同,典型的待机功率通常限定在0.5W至3W以下,通常情况下工作效率应该高于80%。

作为一位消费者,看到家里的电费单时可能会感到吃惊。而作为一名工程师,我们完全可以设计电路帮助消费者降低电费。以一台HDTV DVR接收器为例,一般情况下,接收器消耗的功率为120W,这些接收器往往没有待机模式。如果每天工作24小时,每周工作7天,一个月的电费将达到$34.52 (美金) (以北加州$0.399/kWh电费计算)。这仅仅是家里的一台电器,可以想象我们能够节省成本的空间潜力有多大。一个普通的中产阶层家庭,消耗电能的电器设备可能达到35台。值得庆幸的是,大多数电器都有待机模式,系统空闲时有助于降低功耗。

另请参考:电费计算器

不断飙升的能源价格使消费者更加关注设备整体的使用成本。功耗是关键,需要注意的是:房间内每增加1瓦功耗,空调将消耗大约2瓦的功率排放相应的热量。对于工程师而言,坚持绿色能源规范对于我们的事业和我们赖以生存的地球都是明智的选择。

工作机器基本单元

现在,无论是在家里还是办公室,都能看到工作的电动机和微处理器。发生自然灾害时,我们会很快意识到我们对电力的依赖性有多大。

图1. 生活中常见机器的共同特性
图1. 生活中常见机器的共同特性

从机械设备、电器和娱乐设施的基本框架,我们会发现很多相似之处。图1给出了常用电器的简化原理图。我们首先检测某些信息,随后做出响应。这是绝大多数工作流程的真实写照。例如,我们检测房间的温度,然后打开加热器或空调;我们或机器检测亮度,然后打开照明灯;草地喷灌控制器根据计时时间,按照一定的周期打开水管。

图2. 一台简单实用的机器定义是PLC的基础,其功能通过软件和硅片组合确定。
图2. 一台简单实用的机器定义是PLC的基础,其功能通过软件和硅片组合确定。

我们可以从一个最简单的机器开始,逐渐添加各种功能。图2所示就是一台这样的机器:它检测某些参数,利用处理器按照预设的标准处理激励,然后做出响应(是的,可以将其当作带有双金属机械开关的加热器、空调或冰箱,我们将在这一基础上构建更加复杂的机器)。实际上,我们正在描述的是一个可编程逻辑控制器(PLC)。按照图3所示,我们提供满足客户需求的定制系统。

图3. Maxim提供的高集成度IC组合构成了基本的PLC单元
图3. Maxim提供的高集成度IC组合构成了基本的PLC单元

为了实现图3所示系统的设计,我们按照所要求的速度采集传感器输入并做出相应的响应,启动输出和各部分功能。相对而言,缓慢变化的输入、输出可共用一个PLC控制器。对于那些需要实时响应的应用,例如:安全保护功能,可能需要多个PLC同时进行处理,对传感器进行实时监测并提供及时的操作。表1列出了基本PLC控制器包括的元件。通过切换前级运放的增益和偏置,可以对多个传感器信号进行复用采集和信号调理。在大批量生产的消费类电子设备中,放大器成本必须控制在很低水平。例如MAX9915低功耗CMOS运放,能够提供环路控制所要求的精度,按照具体的系统要求对系统进行适当的放大器配置。

表1. 用于基本PLC单元的典型低电流Maxim IC
Part Description Current Consumption
MAX1108/MAX1109 8-bit ADC, dual-channel, 50ksps Operates on < 130µA; standby < 0.5µA
MAX6029 Series voltage reference, 0.15% initial accuracy Operates on 5.25µA (max)
MAX5380/MAX5381/MAX5382 8-bit DAC, 2-wire serial interface, 5-pin SOT23 package Operates on 230µA; standby 1µA
MAX9915 Op amp, 1MHz unity-gain BW, rail to rail Operates on 20µA; standby 0.001µA
MAX5490/MAX5491/MAX5492 Precision-matched resistor-divider, 0.025% tolerance Operates on ZERO A; standby ZERO A
MAX5426 Digitally-programmable resistor network for instrumentation amps Operates on 90µA
MAX5430 Digitally-programmable precision voltage-divider for programmable-gain amps Operates on 6µA
MAX308, MAX4581 8-to-1 analog multiplexer Operates on < 17µA
MAX5128 Digital potentiometer, nonvolatile Standby 0.5µA
DS80C320/DS80C323 Microcontrollers, 80C31/80C32 compatible, fast for power saving Stop mode: 50µA with bandgap on; 1µA with bandgap off

放大器的配置形式有以下几种:
  1. 输入级放大器由MAX9915运放和MAX5490/MAX5492精密匹配(匹配精度在0.025%以内)的电阻分压器组成。这是一种比较通用的放大器配置,具有高精度增益和较好的温度系数指标。
  2. 将放大器数量增加到三个,配合MAX5426数字可编程电阻网络,构成一个差分输入的仪表放大器。
  3. 如果需要数字可编程增益放大器,并且需要的增益是:1、2、4和8,则可利用MAX5430精密分压器和一个运放实现。
  4. 也可利用数字分压器,例如MAX5128,设置增益、偏置和失调。MAX5128还集成了非易失存储器,用于配置并保存所有增益设置。上电时,芯片可以调用存储数据—这是电平和失调校准的有效工具。
控制环路ADC可以采用MAX1108或MAX1109。该系列器件为8位、双通道、50ksps转换器,内置基准。表1还列出了一个低功耗MAX6029外部电压基准,如果需要提高转换器精度,可以使用外部基准。

DS80C320/DS80C323是8051兼容高速微控制器。这些高度集成的控制器包括4路8位I/O端口、2路全双工硬件串口、定时/计数器、看门狗定时器以及暂存器RAM。由于允许更长的休眠周期,其高速架构在相同工作条件下消耗的功率更小。

微处理器输出通过MAX5380/MAX5381/MAX5382转换成模拟信号,该系列8位DAC采用2线串行接口,器件采用节省空间的5引脚SOT23封装。DAC还集成了输出缓冲放大器,进一步减少了元件数量并缩小了电路板空间。

从基本PLC到复杂度更高的器件

通过细化PLC引擎,可以很容易了解增加哪些功能来满足具体应用的需求。每个人都在强调便捷性,这意味着需要更多的功能/专用功能。这也正是电路设计人员比较忌讳的“功能泛滥”。销售人员希望产品集成更多功能,但不要增加零售价;设计人员则必须控制成本。Maxim提供广泛的高集成度解决方案,能够帮助研发人员降低电流损耗、减小尺寸并降低成本,从而满足应用需求。

节能是我们义不容辞的责任,Maxim更是责无旁贷。公司利用其研发资源,为各种节能和高效率产品提供设计和支持。本文仅列举了少数几款Maxim器件,这几款器件只是Maxim众多超低电流器件中的几个典型例子。更多的节能器件,包括电池管理、充电和高效电源,请访问china.maximintegrated.com