發布日期：2022-07-15 點擊率：35
與電池供電應用相比較,交流電供電應用的低功耗設計似乎并不引起設計師的關注,實際上這類應用的低功耗設計也很重要,這涉及到系統的成本、散熱和可靠性等問題。本文分別通過從微控制器、可控硅驅動、電源設計和用戶界面設計幾個方面探討了交流電供電應用的低功耗設計思路。
設計交流電供電應用的難點并不是高電壓或危險的大電流,而是如何為低電壓元器件提供簡單而高效的電源。通常,要為控制部分提供50毫瓦的功率,電源的功耗可能就要超過2～3W。熱損耗不僅增加了電源的成本,而且使機箱過熱。這也說明了為什么在設計低成本交流電供電的控制應用時,充分利用每一種能夠降低功耗的特性和技術是如此重要。
微控制器的低功耗技術
設計時要降低功耗首先要選擇正確的微控制器。盡管過去的CMOS微控制器聲稱是低功耗的,但只有針對電池供電設計的新型低功耗微控制器才能提供有效的電源管理。這些新型微控制器所具備的一些特性可以顯著降低設計中的電流消耗,這些特性包括:
采用低功耗微控制器、三端雙向可控硅
和LCD顯示界面的應用實例。
需要特別指出的是,電流的降低主要歸功于采用了32kHz時鐘,以及微控制器有50%的時間都處于睡眠模式。常見的問題是:“這些特性是否會對設計造成局限呢？”
答案是否定的。典型的交流電供電應用工作在60Hz左右(美國標準,中國為50Hz)的交流電頻率時序上。工作在32kHz時鐘頻率的微控制器仍然在60Hz電源的每個周期內具有超過136個指令周期。如果微控制器僅僅需要在60Hz交流電源的過零點之后延遲適當的時間來觸發三端雙向可控硅(TRIAC)的話,這足夠了。對于微控制器來說,唯一對時間有嚴格要求的部分是用戶接口。但即使是這一功能的操作時間也在數十至數百毫秒的范圍。因此,很少情況下會需要快速時鐘或更多的指令周期。
然而,如果微控制器確實需要較高的速度,那么通常通過軟件來控制可變時鐘結構。這意味著微控制器可以根據當前任務來選擇自己的時鐘。如果僅僅是監視按鈕狀態和等待過零點,那么可以運行在節能的32kHz時鐘頻率。如果需要完成復雜的浮點計算,那么只需采用較高頻率的時鐘,當運算完成后再回到低功耗狀態下的時鐘頻率。這種時鐘頻率的自我控制使微控制器可根據需要控制電流消耗,適應可能遇到的任何情況。
窄脈沖驅動可控硅
由于三端雙向可控硅的鎖定特性和雙向開關功能,交流電源的開關經常采用三端雙向可控硅器件。遺憾的是,大多數設計人員經常忘記了TRIAC的鎖定特性能夠為設計帶來的好處。三端雙向可控硅通過的電流一旦超過最小維持電流,TRIAC就會鎖定,控制端的偏置電流就可以停止,從而可以大大節省電流。事實上,對于敏感的三端雙向可控硅器件來說,只要在可控硅的控制端加一個持續300μS時間的3mA偏置電流脈沖,就可以使可控硅在波形的整個半周期內導通。而3mA的電流脈沖平均到60Hz半周期內,實際上相當于不到100μA的持續電流。因此,與傳統的控制三端雙向可控硅的方案相比,采用窄脈沖驅動可控硅可以節約幾乎96%的電流。
用戶界面
傳統設計通常采用小電流LED用于用戶界面指示。然而,每個LED的電流消耗可達1～5mA。對于需要以微安為單位來考慮電流消耗的設計,這種方案顯然不可行。解決方法仍然是采用低功耗微控制器。具體來說就是采用內置LCD驅動電路的微控制器。
LCD驅動電路的電流消耗典型值為30～40μA,此外還需要100～200μA的電流來產生顯示屏需要的偏置電壓。與單LED消耗1～5mA電流相比,LCD的優點非常明顯。LCD不僅消耗電流小,而且為設計人員提供了靈活和用戶友好的顯示界面。由于LCD驅動電路在低功耗應用中非常普遍,因此找到同時集成LCD外設和低功耗模式的芯片并不困難。事實上,PIC16F91X系列除了具有Microchip的納瓦技術低功耗特性外,還帶有LCD外設,以及多種其他外設。
LCD顯示經常被攻擊的一個缺點是在弱光條件下看不清楚。解決方法非常簡單,只要增加背光就可以提高顯示對比度。有人可能要問:“增加背光不會增大電流消耗嗎？”如果采用LED背光,那么設計的電流消耗肯定會增大。然而,LCD顯示采用電致發光(EL)背光就可以避免這一問題,因為EL背光板可以直接利用110V交流電源驅動,它只需要一個小的限流電阻。因此,EL背光對于低電壓部分的電流消耗沒有影響。
用戶界面的另一部分是按鈕輸入。傳統上,這個部分包括一個或多個按鈕,每個按鈕都經一個上拉電阻與微控制器的數字輸入引腳連接。盡管上拉電阻所消耗的電流對于減少整個設計的電流消耗似乎沒有多大影響,但PIC16F91X系列這樣的低功耗微控制器所提供的“弱上拉”功能也能夠提供一些幫助。這些內部弱上拉電阻提供了類似的電流源,但免去了外部電阻的成本。同時,還可以通過軟件禁止或利用弱上拉功能,僅在微控制器實際讀取按鈕狀態的時候才使用弱上拉功能,也就是說,只有這時上拉電阻才會消耗電流。
電源設計
本文開始就指出,低功耗微控制器可大大減小電流、降低功耗和成本。比較的對象是典型的傳統設計:1個CMOS微控制器、1個三端雙向可控硅、2個按鈕和6個LED。在這種情況下,整個設計的電流消耗約為10mA:TRIAC 3mA,每個LED 5mA(假設僅有一個點亮),微控制器2mA。在電壓為5V時提供這么大的電流,電源將需要消耗功率。
=(110VAC-5VDC)*(10mA+10mA+3mA)
第一個10mA是正半周時的電源電流,另一個10mA為大電容充電的電流,用來在負半周時為電路提供電流,最后的3mA是穩壓二極管的偏置電流。
利用前面討論的減小電流措施,采用低功耗微控制器實現的類似設計其電流消耗還不到400μA:TRIAC平均電流為100μA,LCD為240μA,微控制器為18μA。提供該電流的電源功耗只有140mW,與傳統基于CMOS微控制器的設計相比,電源功耗降低了。
140mW=(110VAC-3VDC)*(400μA+400μA+500μA)
由于功耗很低,因此可以利用1/4W電阻來代替傳統電源中3～4W的電阻,還可以使用功率更小的穩壓二極管(偏置電流僅500μA)。最后,大電容的容量也減小到傳統設計的1/7。最終的設計既節約了成本,還提供了更易于使用和對用戶更有吸引力的顯示屏。
PIC系列微控制器
基于閃存的低功耗8位微控制器系列采用多種納瓦技術來降低功耗,包括更低的工作電流、時鐘頻率控制以及休眠模式。此外,PIC16F91X系列微控制器還提供弱上拉和LCD顯示驅動器。其他外設包括EEPROM數據存儲器、捕捉/比較/PWM定時器功能、10位ADC模塊、比較器以及多種硬件串行通信外設。低功耗特性和豐富的外設可使系統設計人員減少所需的外部元器件,從而降低系統功耗,提高可靠性和性能,并最大限度地降低成本。
本文小結
在生活中越來越普及的電池供電應用為我們帶來了更多好處,就連低功耗、低成本這樣的要求也是此類應用推動的結果。眾所周知,基于微控制器的控制能夠為設計人員提供更大的設計自由度和靈活性。事實上,電池供電應用推動的低功耗微控制器及其豐富功能對于成本敏感的交流電供電應用也非常有幫助。
Keith Curtis
首席應用工程師
安全、微控制器和技術部
美國微芯科技公司
