摘要：對(duì)于便攜式設(shè)備，消費(fèi)者迫切要求延長(zhǎng)其電池壽命；對(duì)于非便攜式設(shè)備，不斷飆升的能源價(jià)格和最新的能源之星(Energy Star®)規(guī)劃也促使公眾更加關(guān)注待機(jī)功耗問題。因此，符合綠色能源規(guī)范并降低待機(jī)功耗已經(jīng)成為設(shè)計(jì)者追求的新目標(biāo)，特別是對(duì)于每天工作24小時(shí)的系統(tǒng)。為了滿足低功耗要求，電路設(shè)計(jì)人員深知細(xì)節(jié)決定成敗，需要對(duì)每一部分電路的電流進(jìn)行仔細(xì)測(cè)算。本文介紹了Maxim芯片在典型系統(tǒng)中的應(yīng)用，有助于設(shè)計(jì)人員降低系統(tǒng)功耗。文中給出的實(shí)例只是Maxim眾多超低電流器件中的幾個(gè)典型例子。
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消費(fèi)者迫切要求延長(zhǎng)便攜設(shè)備的電池壽命，這也是理所應(yīng)當(dāng)?shù)囊?。產(chǎn)品使用的便利性同樣至關(guān)重要，這一理念已經(jīng)滲透到全社會(huì)。例如，我們不愿意排隊(duì)等候，不能忍受交通堵塞等等，我們往往會(huì)為享受特殊待遇而不吝嗇于掏腰包。于是，我們有了自動(dòng)提款機(jī)，能夠每天24小時(shí)、每周7天提供全天候營(yíng)業(yè)；數(shù)字錄像機(jī)(DVR)使我們能夠錄制娛樂節(jié)目以供閑暇時(shí)欣賞；移動(dòng)設(shè)備則為我們享受全天候的順暢通信和自?shī)首詷诽峁┍Ｕ?；類似的事例還有很多。“小巧、輕便、快捷和簡(jiǎn)單”是當(dāng)今消費(fèi)者的追求。作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，我們深知滿足這些需求是走向成功的必由之路。
更高程度的“綠色”環(huán)保設(shè)計(jì)需要綜合考慮系統(tǒng)整合、結(jié)構(gòu)、元件選擇以及功能管理等多方面技術(shù)，從而節(jié)約便攜系統(tǒng)每一微安的電流，節(jié)約電力線供電系統(tǒng)每一毫安甚至更多的電流。便攜系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員習(xí)慣以微安為單位計(jì)算電流。然而，當(dāng)電路板上一個(gè)指紋大小的污漬所產(chǎn)生的漏電流超過一個(gè)芯片的待機(jī)電流時(shí)，設(shè)計(jì)人員也不得不做出讓步。
“Little Things Mean a Lot”，這是一首流行了50年的老歌，它啟發(fā)我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求的便攜產(chǎn)品。我們首先想到的“大”問題是：處于休眠狀態(tài)的微處理器、顯示器耗電以及閃存，隨后需要考慮的是其它電路。細(xì)節(jié)決定成敗，每一部分電路的電流都要仔細(xì)考量。不同地區(qū)的要求可能不盡相同，典型的待機(jī)功率通常限定在0.5W至3W以下，通常情況下工作效率應(yīng)該高于80%。
作為一位消費(fèi)者，看到家里的電費(fèi)單時(shí)可能會(huì)感到吃驚。而作為一名工程師，我們完全可以設(shè)計(jì)電路幫助消費(fèi)者降低電費(fèi)。以一臺(tái)HDTV DVR接收器為例，一般情況下，接收器消耗的功率為120W，這些接收器往往沒有待機(jī)模式。如果每天工作24小時(shí)，每周工作7天，一個(gè)月的電費(fèi)將達(dá)到$34.52 (美金) (以北加州$0.399/kWh電費(fèi)計(jì)算)。這僅僅是家里的一臺(tái)電器，可以想象我們能夠節(jié)省成本的空間和潛力有多大。一個(gè)普通的中產(chǎn)階層家庭，消耗電能的電器設(shè)備可能達(dá)到35臺(tái)。值得慶幸的是，大多數(shù)電器都有待機(jī)模式，系統(tǒng)空閑時(shí)有助于降低功耗。
另請(qǐng)參考：電費(fèi)計(jì)算器。
不斷飆升的能源價(jià)格使消費(fèi)者更加關(guān)注設(shè)備整體的使用成本。功耗是關(guān)鍵，需要注意的是：房間內(nèi)每增加1瓦功耗，空調(diào)將消耗大約2瓦的功率排放相應(yīng)的熱量。對(duì)于工程師而言，堅(jiān)持綠色能源規(guī)范對(duì)于我們的事業(yè)和我們賴以生存的地球都是明智的選擇。
工作機(jī)器基本單元
現(xiàn)在，無論是在家里還是辦公室，都能看到工作的電動(dòng)機(jī)和微處理器。發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，我們會(huì)很快意識(shí)到我們對(duì)電力的依賴性有多大。
圖1. 生活中常見機(jī)器的共同特性
從機(jī)械設(shè)備、電器和娛樂設(shè)施的基本框架，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)很多相似之處。圖1給出了常用電器的簡(jiǎn)化原理圖。我們首先檢測(cè)某些信息，隨后做出響應(yīng)。這是絕大多數(shù)工作流程的真實(shí)寫照。例如，我們檢測(cè)房間的溫度，然后打開加熱器或空調(diào)；我們或機(jī)器檢測(cè)亮度，然后打開照明燈；草地噴灌控制器根據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)間，按照一定的周期打開水管。
圖2. 一臺(tái)簡(jiǎn)單實(shí)用的機(jī)器定義是PLC的基礎(chǔ)，其功能通過軟件和硅片組合確定。
我們可以從一個(gè)最簡(jiǎn)單的機(jī)器開始，逐漸添加各種功能。圖2所示就是一臺(tái)這樣的機(jī)器：它檢測(cè)某些參數(shù)，利用處理器按照預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)處理激勵(lì)，然后做出響應(yīng)(是的，可以將其當(dāng)作帶有雙金屬機(jī)械開關(guān)的加熱器、空調(diào)或冰箱，我們將在這一基礎(chǔ)上構(gòu)建更加復(fù)雜的機(jī)器)。實(shí)際上，我們正在描述的是一個(gè)可編程邏輯控制器(PLC)。按照?qǐng)D3所示，我們提供滿足客戶需求的定制系統(tǒng)。
圖3. Maxim提供的高集成度IC組合構(gòu)成了基本的PLC單元
為了實(shí)現(xiàn)圖3所示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們按照所要求的速度采集傳感器輸入并做出相應(yīng)的響應(yīng)，啟動(dòng)輸出和各部分功能。相對(duì)而言，緩慢變化的輸入、輸出可共用一個(gè)PLC控制器。對(duì)于那些需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的應(yīng)用，例如：安全保護(hù)功能，可能需要多個(gè)PLC同時(shí)進(jìn)行處理，對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并提供及時(shí)的操作。表1列出了基本PLC控制器包括的元件。通過切換前級(jí)運(yùn)放的增益和偏置，可以對(duì)多個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行復(fù)用采集和信號(hào)調(diào)理。在大批量生產(chǎn)的消費(fèi)類電子設(shè)備中，放大器成本必須控制在很低水平。例如MAX9915低功耗CMOS運(yùn)放，能夠提供環(huán)路控制所要求的精度，按照具體的系統(tǒng)要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯笃髋渲谩?br />
表1. 用于基本PLC單元的典型低電流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幾種：
- 輸入級(jí)放大器由MAX9915運(yùn)放和MAX5490/MAX5492精密匹配(匹配精度在0.025%以內(nèi))的電阻分壓器組成。這是一種比較通用的放大器配置，具有高精度增益和較好的溫度系數(shù)指標(biāo)。
- 將放大器數(shù)量增加到三個(gè)，配合MAX5426數(shù)字可編程電阻網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個(gè)差分輸入的儀表放大器。
- 如果需要數(shù)字可編程增益放大器，并且需要的增益是：1、2、4和8，則可利用MAX5430精密分壓器和一個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。
- 也可利用數(shù)字分壓器，例如MAX5128，設(shè)置增益、偏置和失調(diào)。MAX5128還集成了非易失存儲(chǔ)器，用于配置并保存所有增益設(shè)置。上電時(shí)，芯片可以調(diào)用存儲(chǔ)數(shù)據(jù)—這是電平和失調(diào)校準(zhǔn)的有效工具。
控制環(huán)路ADC可以采用MAX1108或MAX1109。該系列器件為8位、雙通道、50ksps轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置基準(zhǔn)。表1還列出了一個(gè)低功耗MAX6029外部電壓基準(zhǔn)，如果需要提高轉(zhuǎn)換器精度，可以使用外部基準(zhǔn)。
DS80C320/DS80C323是8051兼容高速微控制器。這些高度集成的控制器包括4路8位I/O端口、2路全雙工硬件串口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗定時(shí)器以及暫存器RAM。由于允許更長(zhǎng)的休眠周期，其高速架構(gòu)在相同工作條件下消耗的功率更小。
微處理器輸出通過MAX5380/MAX5381/MAX5382轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，該系列8位DAC采用2線串行接口，器件采用節(jié)省空間的5引腳SOT23封裝。DAC還集成了輸出緩沖放大器，進(jìn)一步減少了元件數(shù)量并縮小了電路板空間。
從基本PLC到復(fù)雜度更高的器件
通過細(xì)化PLC引擎，可以很容易了解增加哪些功能來滿足具體應(yīng)用的需求。每個(gè)人都在強(qiáng)調(diào)便捷性，這意味著需要更多的功能/專用功能。這也正是電路設(shè)計(jì)人員比較忌諱的“功能泛濫”。銷售人員希望產(chǎn)品集成更多功能，但不要增加零售價(jià)；設(shè)計(jì)人員則必須控制成本。Maxim提供廣泛的高集成度解決方案，能夠幫助研發(fā)人員降低電流損耗、減小尺寸并降低成本，從而滿足應(yīng)用需求。
節(jié)能是我們義不容辭的責(zé)任，Maxim更是責(zé)無旁貸。公司利用其研發(fā)資源，為各種節(jié)能和高效率產(chǎn)品提供設(shè)計(jì)和支持。本文僅列舉了少數(shù)幾款Maxim器件，這幾款器件只是Maxim眾多超低電流器件中的幾個(gè)典型例子。