高性能、低功耗太陽能衡器SoC方案

低功耗太陽能衡器設(shè)計要點

對于使用傳統(tǒng)電池供電的衡器產(chǎn)品而言，通常受體積和成本限制，如果采用太陽能電池板，其面積必然有限，從而限制了太陽能電池板的供電電量。此外，太陽能電池板發(fā)電量低(室內(nèi)μA級)，并存在隨著光線強度的差異電流不穩(wěn)定的問題。因此，使用太陽能電池板供電的衡器解決方案需要解決以下問題：增加儲能電路，讓太陽能電池板發(fā)出的電量儲存起來(在200流明下，一般只能提供幾十μA電流)；降低功耗，整機關(guān)機和工作電流分別均需在nA、μA級。

電子衡器耗電量大的主要是傳感器、ADC、MCU三大塊。為此，通常的解決方案需要采用以下方法來實現(xiàn)整體低功耗特性：對傳感器采用間歇供電或脈沖供電來降低傳感器用電功耗；采用高阻應(yīng)變傳感器；提高ADC輸出速率，減少每次采樣時間從而降低采樣功耗；提高ADC有效位，以在高速下保證衡器精度；提高SoC運行速度以降低每MHz的功耗；降低LCD驅(qū)動電路功耗；提高集成度，減少外圍器件。

芯?？萍纪瞥龅母呔?4位ADC芯片CS1242填補了國內(nèi)中高端電子衡器芯片領(lǐng)域的空白。在滿足高精度需求的同時，該公司針對當(dāng)前低功耗應(yīng)用的發(fā)展趨勢，推出了具有極佳低功耗特性的CSU11系列衡器SoC芯片，最大的優(yōu)勢是同時滿足了自動上秤人體秤、太陽能人體秤對低功耗的要求，以及口袋秤對高精度的要求。該系列產(chǎn)品綜合考慮了上述低功耗設(shè)計因素，實現(xiàn)了極佳的低功耗特性，利用CSU11系列SoC設(shè)計的自動上秤人體秤，平均待機功耗可以低至3μA以下，太陽能人體秤稱重電流20μA以下，口袋秤分度可以達到三萬分之一。

CSU11系列SoC集成了8位RISC MCU，4K*16 OTP(可作為用戶數(shù)據(jù)PROM)、256 RAM、4*18 LCD，以及16個I/O口(除了這16個I/O口外，所有的“Seg”口均可復(fù)用為輸出，令I(lǐng)O總數(shù)最多達到26個)，雙通道高速、高精度ADC，最高數(shù)據(jù)輸出速率為16kHz(精度為12位，增益為32)，最高精度達到18位(增益為128，速率為32Hz)。為了能夠在一個芯片上同時滿足低功耗和高精度的要求，CSU11系列SoC還提供了“功耗-精度-速度”相互平衡的選項，即用戶可以通過配置較低的ADC工作電流來實現(xiàn)低功耗，但此種情況下線性度較差，只能夠用于5000點以下的秤，也可以配置較大的工作電流來實現(xiàn)30,000分度的精度和線性度，為方案工程師進行多種類型的方案開發(fā)提供便利，只需要在配置上稍作改動，就可以滿足不同的市場需求。

太陽能人體秤的出現(xiàn)，主要是為了避免普通電池對環(huán)境的危害，達到環(huán)保的目的。但是，目前市面上的太陽能人體秤需要昂貴的傳感器和PS08主芯片。高昂的造價成本極大地限制了太陽能人體秤的市場占有率。CSU11系列提供了專門為太陽能人體秤而設(shè)計的特性，設(shè)計時使用1KHz的AD輸出速率，使用第四筆AD采樣值。每秒鐘稱重一次，則所需的動態(tài)功耗為4次*2.5mA*(1/1000秒)=10μA，LCD顯示所需的功耗為5μA(驅(qū)動電路工作電流)+5μA(玻璃消耗)=20μA。

目前，國內(nèi)某大型衡器企業(yè)已經(jīng)成功利用CSU1101B芯片開發(fā)了太陽能電子秤產(chǎn)品，并實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，已經(jīng)成功實現(xiàn)對歐美市場批量出口。該產(chǎn)品的平均工作電流小于等于25μA，在55流明光照強度下就可以起秤，完全可以適用于包括浴室在內(nèi)的各種室內(nèi)環(huán)境。其精度達到2,000分度，具有自動開機功能，關(guān)機平均電流低于3μA。

提高系統(tǒng)性能的設(shè)計建議

目前，太陽能電子秤定位高端市場，并以出口歐美地區(qū)為主，為提高整機性能以及應(yīng)對歐美地區(qū)嚴(yán)格的電磁兼容測試等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對基于CSU11系列SoC的產(chǎn)品設(shè)計給出如下建議，此類設(shè)計實踐對基于芯?？萍嫉钠渌鸖oC以及一般的電子產(chǎn)品設(shè)計均有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義：

1. 提高產(chǎn)品抗ESD性能

對產(chǎn)品ESD性能最為重要的是產(chǎn)品外殼設(shè)計，必須盡可能地保證靜電能量不引入到產(chǎn)品的PCB中。但是，按鈕和電池倉有時在外殼設(shè)計中無法避免會被ESD事件所影響。所以，提升電路的ESD性能關(guān)鍵是要把按鈕及電源部分的防ESD措施做好。

有可能暴露于ESD事件的按鈕，需增加RC電路來引導(dǎo)ESD能量到地，一般電容取值為0.1μF，電阻取值為10K。按鍵周圍最好能敷滿地線(采用實心鋪地，不要網(wǎng)格鋪地)。

PCB上的電源接入點(電池倉與PCB之間的連線焊接點)附近，電源線焊點后必須緊接一個105電容(104電容亦可，但105電容可提高抗ESD上限)，此電容主要用于在電池倉開蓋打ESD時，泄放靜電能量到地。此處的地應(yīng)該鋪成一片大地。

除上述兩個措施之外，如果要進一步提高ESD性能，PCB上的地應(yīng)盡可能地鋪大片實心的地，不要使用網(wǎng)格鋪地的方式。而且，地與地之間的連接要良好，切忌零散地鋪地和各塊地之間使用細線連接的情況。此外，傳感器的地線接法設(shè)計，也有利于提升抗ESD性能。原則上，傳感器的地線焊點應(yīng)盡可能靠近電源接入焊點，以使靜電能量無需經(jīng)過板上繞線即到達傳感器，從而減輕對芯片的沖擊。

2. 提升AD性能

對于高精度手掌秤，特別是兩萬點以上精度的手掌秤而言，電路及PCB設(shè)計至關(guān)重要，合理的設(shè)計可以有效提高整秤性能。傳感器上的電容應(yīng)盡量靠近芯片管腳，且走線盡量等長平行。在AVDD與AGND之間，盡量靠近芯片的地方接一個105電容。在開發(fā)具有時鐘功能的秤或者需要通信功能的秤時，通常需要使用外接晶振，晶振要盡量接近芯片，走線平行，晶振底部不能走線，敷滿地線。

本文小結(jié)

芯?？萍紝⒏咝阅蹵DC與MCU集成的產(chǎn)品開發(fā)思路為衡器行業(yè)提供了極具競爭性的解決方案，目前相關(guān)IC在國內(nèi)超過千家企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，低功耗的太陽能電子稱解決方案的推出順應(yīng)了當(dāng)前全球低碳經(jīng)濟發(fā)展的大趨勢。本文介紹的CSU11系列芯片日前獲得《電子工程專輯》2010年度熱門產(chǎn)品獎，再次彰顯了創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計思路和高性價比特點。事實上，除了太陽能衡器應(yīng)用，CSU11XX系列還廣泛適用于工業(yè)過程控制、液體/其他化學(xué)分析、便攜式產(chǎn)品、智能變換器、太陽能人體秤、便攜式醫(yī)療設(shè)備智能電表等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。為縮短客戶的產(chǎn)品面市時間并降低研發(fā)成本，芯?？萍紡漠a(chǎn)品上市之初就以“IC+系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方案”為終端客戶或方案商提供應(yīng)用支持，并提供成套的開發(fā)工具及豐富的應(yīng)用軟件包。

圖1：CSU11系列內(nèi)部CPU核功能框圖。

作者：劉小靈

設(shè)計部總監(jiān)

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