節(jié)約能源：小事意義重大

消費(fèi)者要求便攜式設(shè)備具有較長(zhǎng)的電池壽命。與此同時(shí)，對(duì)于非便攜式設(shè)備，不斷增加的能源成本和最新的能源之星指南正在將公眾的意識(shí)集中在浪費(fèi)的待機(jī)功率上。因此，滿足綠色能源法規(guī)和降低待機(jī)功耗已成為設(shè)計(jì)人員的新口頭禪，尤其是在系統(tǒng)全天 24 小時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)。為了滿足較低的功耗水平，電路設(shè)計(jì)人員知道細(xì)節(jié)決定成敗，每個(gè)電路都需要證明其當(dāng)前預(yù)算的合理性。本文將介紹Maxim芯片如何幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員降低典型系統(tǒng)的功耗預(yù)算。這些示例僅重點(diǎn)介紹了Maxim廣泛的超低電流器件產(chǎn)品組合中的一小部分產(chǎn)品。

消費(fèi)者要求便攜式設(shè)備具有較長(zhǎng)的電池壽命，這是理所當(dāng)然的。便利是最重要的，這個(gè)概念滲透到我們的社會(huì)中。我們不想排隊(duì)等候，交通擁堵等，此外，我們通常會(huì)為這種特權(quán)付費(fèi)。因此，我們有自動(dòng)取款機(jī)24/7全天候分配現(xiàn)金;數(shù)字視頻錄像機(jī) （DVR），使我們能夠?qū)蕵?lè)進(jìn)行時(shí)移;讓我們 24/7 全天候交流和娛樂(lè)自己的移動(dòng)設(shè)備;等等?！靶?、輕、快、易”是當(dāng)今消費(fèi)者的口頭禪。作為設(shè)備設(shè)計(jì)師，我們明白，我們的成功需要滿足這些期望。

使設(shè)備“更環(huán)?！笔羌?、架構(gòu)、組件選擇和功能管理的組合，以節(jié)省便攜式系統(tǒng)中的每一微安，以及線路供電系統(tǒng)中的毫安和更多。在便攜式系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員通常以微安為單位計(jì)算電流。然而，當(dāng)電路板上的單個(gè)指紋泄漏的電流可能超過(guò)芯片的待機(jī)電流時(shí)，即使這樣也會(huì)受到影響。

過(guò)去五十年的流行歌曲“小東西意味著很多”，教我們?nèi)绾螢楫?dāng)今的便攜式市場(chǎng)設(shè)計(jì)電路。套用這首歌，向歌曲作者道歉，“因?yàn)槔蠈?shí)說(shuō)，親愛(ài)的，他們只是要花錢(qián)”電池。我們首先想到的是大件物品——一個(gè)休眠的微處理器、吸電流的顯示器和閃存——然后是電路的其余部分。細(xì)節(jié)決定成敗，每個(gè)支持電路都需要證明其當(dāng)前預(yù)算的合理性。法規(guī)因地區(qū)而異，但待機(jī)功率的典型目標(biāo)是小于0.5W至3W，而超過(guò)80%的運(yùn)行效率的典型目標(biāo)正變得司空見(jiàn)慣。

作為消費(fèi)者，閱讀我們的家庭公用事業(yè)電費(fèi)賬單可能會(huì)令人恐懼。作為工程師，我們可以設(shè)計(jì)電路來(lái)幫助消費(fèi)者減少電費(fèi)。例如，只需查看HDTV DVR接收器。典型的單元消耗 120W 并且通常沒(méi)有待機(jī)模式。24/7全天候運(yùn)行，每月運(yùn)營(yíng)成本為34.52美元（基于北加州每千瓦時(shí)0.399美元的罰款電費(fèi)）。這只是我們家中的一種電器，它強(qiáng)調(diào)了成本或潛在的節(jié)省如何迅速增加。在一個(gè)典型的中產(chǎn)階級(jí)家庭中，可能有超過(guò)35臺(tái)設(shè)備在供電。值得慶幸的是，大多數(shù)可能具有某種形式的待機(jī)電源模式，可在系統(tǒng)空閑時(shí)減少功耗。

不斷增加的能源成本使消費(fèi)者的注意力集中在總擁有成本上。功耗至關(guān)重要，請(qǐng)記住，對(duì)于進(jìn)入房間的每一瓦特，空調(diào)將其移除大約需要兩瓦特。因此，對(duì)于我們工程師來(lái)說(shuō)，超越綠色能源法規(guī)對(duì)我們的業(yè)務(wù)和地球都是明智的。

一臺(tái)基本工作機(jī)器

今天，我們的家庭和工作場(chǎng)所都有電機(jī)和微處理器為我們工作。當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，我們很快就會(huì)想起我們的生活方式對(duì)電力的依賴程度。

當(dāng)我們查看機(jī)器、電器和娛樂(lè)設(shè)備的框圖時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了很多共同點(diǎn)。我們感覺(jué)到一些東西，然后開(kāi)始行動(dòng)。這實(shí)際上是大多數(shù)工作的定義。例如，我們感知室溫并打開(kāi)加熱器或空調(diào)裝置。我們或機(jī)器感知光線水平并打開(kāi)燈。我們的草坪噴水滅火控制器可感應(yīng)時(shí)間并在編程的時(shí)間段內(nèi)打開(kāi)水電磁閥。

圖2.簡(jiǎn)單有用的機(jī)器的概念是PLC的基礎(chǔ)，PLC的功能是通過(guò)軟件和硅的組合來(lái)定義的。

我們從最簡(jiǎn)單的有用機(jī)器開(kāi)始，然后添加功能。圖 2 是這樣的機(jī)器;它感知某個(gè)參數(shù)，使用處理器根據(jù)預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估激勵(lì)，然后啟動(dòng)輸出動(dòng)作。 （是的，我們可以展示帶有雙金屬機(jī)械開(kāi)關(guān)的加熱器、空調(diào)或冰箱，但我們正在這臺(tái)機(jī)器上構(gòu)建更復(fù)雜的設(shè)備。實(shí)際上，我們正在描述可編程邏輯控制器（PLC）。在圖 3 中，我們開(kāi)始定制系統(tǒng)以滿足客戶的要求。

圖3.高度集成的構(gòu)建模塊IC如Maxim的構(gòu)建模塊IC可以實(shí)現(xiàn)基本的PLC。

為了得出圖3中的系統(tǒng)，我們按照所需的速度對(duì)傳感器輸入和動(dòng)作輸出以及分區(qū)功能進(jìn)行了劃分。相對(duì)緩慢變化的輸入和輸出可以圍繞一個(gè)PLC引擎進(jìn)行多路復(fù)用。傳感器和動(dòng)作（例如安全項(xiàng)目）可能需要多個(gè)并行PLC，這需要持續(xù)關(guān)注。表 1 列出了此根 PLC 引擎的可能組件。我們可以多路復(fù)用傳感器，并通過(guò)切換初始運(yùn)算放大器中的增益和失調(diào)來(lái)調(diào)理信號(hào)。在任何大容量消費(fèi)類設(shè)備中，該放大器都必須價(jià)格低廉。低功耗CMOS運(yùn)算放大器，如MAX9915，可為控制環(huán)路提供必要的精度。系統(tǒng)決定使用幾種放大器配置中的哪一種。

有幾種可能的放大器配置：

輸入放大器級(jí)可以由MAX9915運(yùn)算放大器和MAX5490/MAX5492精密匹配電阻分壓器組成，其匹配范圍在0.025%以內(nèi)。這種組合利用了一個(gè)相對(duì)適中的運(yùn)算放大器，但提供了精確的增益和出色的溫度系數(shù)。

我們可以增加三個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)MAX5426數(shù)字可編程電阻網(wǎng)絡(luò)，組成差分輸入儀表放大器。

如果需要具有數(shù)字可編程精密增益1、2、4和8的可編程增益放大器，我們將MAX5430精密分壓器與運(yùn)算放大器組合在一起。

或者，增益、偏置和失調(diào)可以通過(guò)數(shù)字電位器（如MAX5128）設(shè)置。MAX5128甚至集成了非易失存儲(chǔ)器，因此可以設(shè)置和保留任何增益設(shè)置。上電時(shí)，電位器采用先前的值，這是校準(zhǔn)電平和失調(diào)的有效工具。

控制環(huán)路上的ADC為MAX1108或MAX1109。這些器件是具有內(nèi)部基準(zhǔn)的 8 位、雙通道、50ksps 轉(zhuǎn)換器。表1還給出了一個(gè)低功耗的MAX6029外部電壓基準(zhǔn)，如果轉(zhuǎn)換器需要更高的精度，可以增加該基準(zhǔn)。

DS80C320/DS80C323是快速兼容8051的微控制器。這些高集成度控制器包括 8 個(gè) <> 位 I/O 端口、<> 個(gè)全雙工硬件串行端口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器和暫存器 RAM。通過(guò)允許更多的睡眠周期，他們的高速架構(gòu)使用更少的功率來(lái)完成同等的工作。

微處理器的輸出通過(guò)MAX5380/MAX5381/MAX5382 8位DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，這些DAC使用兩線串行接口將電路壓縮到節(jié)省空間的5引腳SOT23封裝中。DAC還集成了一個(gè)輸出緩沖放大器，以進(jìn)一步減少元件數(shù)量和電路板空間。

為更復(fù)雜的設(shè)備擴(kuò)展根 PLC

通過(guò)詳細(xì)介紹最基本的PLC引擎，可以清楚地了解如何添加功能以匹配應(yīng)用。每個(gè)人都想要更多的便利，這通常意味著更多的特性/專業(yè)功能。這是電路設(shè)計(jì)人員討厭的“功能蠕變”。銷(xiāo)售希望包含許多功能，但零售價(jià)格不能增加。因此，設(shè)計(jì)師必須足夠聰明，以控制成本。Maxim的許多高度集成解決方案通過(guò)降低電流消耗、尺寸和成本來(lái)幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)。

審核編輯：郭婷