使用電池的CPLD自供電系統(tǒng)

　　有一種常見的工業(yè)和消費應用，即按一個長間隔（如每分鐘一次）對環(huán)境條件，如GPS（全球定位系統(tǒng)）位置、電壓、溫度或光線進行采樣的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)正越來越多地采用無線和電池供電方式，它每分鐘蘇醒過來，作一次采樣，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€中央數(shù)據(jù)采集終端，然后再次進入睡眠狀態(tài)。本設(shè)計實例用一片Altera EPM240-T100 CPLD（復雜可編程邏輯器件）中的一小部分，結(jié)合一些分立電容、電阻、二極管和MOSFET，通過一個RC定時器電路，自動將一個CPLD系統(tǒng)從完全斷電狀態(tài)喚醒。這種方案在兩種情況下都有最小的功耗：一種是電源接通時的采樣期間，另一種是系統(tǒng)斷電（除RC 電路以外）時的采樣之間。

　　圖1是基本的CPLD開/關(guān)定時器。Q1是一片IRLML6302 P溝道MOSFET，用作系統(tǒng)的電源控制開關(guān)。當門節(jié)點為VCC時，R2上拉，連接CPLD和整個系統(tǒng)的電源均被切斷，只有RC電路消耗少量電能。CPLD帶有一個控制塊、一個4.4MHz內(nèi)部振蕩器、一個3位寄存器，以及6個I/O。圖2為控制部分的狀態(tài)機。狀態(tài)機的輸出為高電平，所有其它輸出均為低電平。從掉電到上電的虛線表示時間延遲，該時間延

遲在系統(tǒng)斷電時由R1與C1構(gòu)成的RC電路測量。開關(guān)S1接通時電路初始化。當S1閉合時，D2將門節(jié)點拉低，當門電壓低于VCC 0.7V時Q1導通。Q1加電不到200ms后，EPM240-T100工作在上電狀態(tài)。上電狀態(tài)將電源節(jié)點拉低，將門電壓保持在0.7V，在開關(guān)打開后使Q1維持導通。上電狀態(tài)亦將充電節(jié)點拉至VCC。這個動作將C1的負端充電至VCC。由于reset=0，控制塊進入復位狀態(tài)，而Register 1被復位。一旦S1打開，控制塊進入使能狀態(tài)，使能信號驅(qū)動為1。

　　接下來，采樣與傳輸電路開始工作，使done信號為0。當采樣與傳輸完成時，done信號變?yōu)?，而控制塊進入保存狀態(tài)。保存狀態(tài)按照Register 1中的值，將電容C2充電至CN。保存狀態(tài)激活100ms時間，使輸出對10mF電容完全充電。經(jīng)過100ms后，控制塊進入斷電狀態(tài)，停止驅(qū)動充電節(jié)點與電源節(jié)點。R4將電源節(jié)點拉高，而R2拉高門節(jié)點。

　　當門節(jié)點使VCC-VTQ1達到大約 2.3V時，Q1切斷系統(tǒng)的供電。EPM240-T100的所有I/O均處于高阻抗狀態(tài)，并且不影響門節(jié)點或充電節(jié)點。充電節(jié)點開始于VCC，并在電源關(guān)斷時開始通過R1放電。一旦充電節(jié)點掉落到2.3V，D1拉低門節(jié)點。當充電節(jié)點達到1.6V 時，門節(jié)點為2.3V，Q1 導通。Q1 導通的時間略小于 R1 和C1 的t。關(guān)斷時間等于 R1×C1 = 100,000×0.0001=10 s。

　　器件在上電狀態(tài)上電，但很快轉(zhuǎn)至采樣狀態(tài)。采樣狀態(tài)記錄電容C2、C3和C4上的值。這些電容用作非易失存儲器，保存以前上電循環(huán)的次數(shù)。如果C4 ~ C2上采樣的Register 1值小于7，則控制塊開始遞增，而Register 1的值以1為增量增加。然后，控制塊再次進入保存狀態(tài)，C2 ~C4充電到一個新的二進制值001。器件再次斷電。在第8次上電循環(huán)，或上電后大約80s，控制塊轉(zhuǎn)為使能狀態(tài)，因而開始一個新的采樣與傳輸順序。這個過程每80s重復一次。你可以調(diào)整C1和R1改變Register1的大小和使能循環(huán)之間的計數(shù)，就可以改變這個80s的周期。由于80s周期包含8個較小的上電采樣、測試與斷電循環(huán)，供電的占空周期小于3%，因此，這種方案將電池壽命增加了33倍。