集成高分辨率ADC的低功耗太阳能衡器SoC方案

集成高分辨率ADC的低功耗太阳能衡器SoC方案作者：刘小灵设计部总监深圳市芯海科技有限公司Email：[e-mail]：CSU1110,人体秤,低功耗,高精度一节一号电池烂在地里能使1平方米的土壤永久失去利用价值，一粒纽扣电池可使600吨水受到污染，相当于一个人一生的饮水量。电池对人类生存环境的威胁已经成为社会的共识，通过降低功耗来减少电池使用量成为了很多电子产品企业的选择。随着太阳能电池技术进步和低功耗半导体设计技术的发展，太阳能电池替代传统电池的应用逐渐出现。本文将介绍基于低功耗CSU11系列衡器SoC芯片的太阳能秤设计方案。低功耗太阳能衡器解决方案作为针对使用传统电池供电的衡器产品而言，通常受体积和成本限制，太阳能电池板的面积必然有限，从而限制了太阳能电池板的供电电量。此外，太阳能电池板发电量低(室内uA级)，并存在随着光线强度的差异电流不稳定的问题。因此，使用太阳能电池板供电的衡器解决方案需要解决以下问题：增加储能电路，让太阳能电池板发出的电量储存起来(在200流明下，一般只能提供几十uA电流）；降低功耗，整机关机和工作电流分别均需在nA、uA级。电子衡器耗电量大的主要是传感器、ADC、MCU三大块。为此，通常的解决方案需要采用以下方法来实现整体低功耗特性：1.对传感器采用间歇供电或脉冲供电来降低传感器用电功耗；2.采用高阻应变传感器；3.提高ADC输出速率，减少每次采样时间从而降低采样功耗；4.提高ADC有效位，以在高速下保证衡器精度；5.提高SoC运行速度以降低每MHz的功耗；6.降低LCD驱动电路功耗；7.提高集成度，减少外围器件。芯海科技推出的高精度24位ADC芯片CS1242填补了国内中高端电子衡器芯片领域的空白。在满足高精度需求的同时，该公司针对当前低功耗应用的发展趋势，推出了具有极佳低功耗特性的CSU11系列衡器SoC芯片，最大的优势是同时满足了自动上秤人体秤、太阳能人体秤对低功耗的要求，以及口袋秤对高精度的要求。该系列产品综合考虑了上述低功耗设计因素，实现了极佳的低功耗特性，利用CSU11系列SoC设计的自动上秤人体秤，平均待机功耗可以低至3uA以下，太阳能人体秤称重电流20uA以下，口袋秤分度可以达到三万分之一。图1：CSU11系列内部CPU核功能框图。CSU11系列SoC集成了8位RISCMCU，4K*16OTP(可作为用户数据PROM)、256RAM、4*18LCD，以及16个I/O口(除了这16个I/O口外，所有的“Seg”口均可复用为输出，令IO总数最多达到26个)，双通道高速、高精度ADC，最高数据输出速率为16kHZ(精度为12位，增益为32)，最高精度达到18位(增益为128，速率为32HZ)。为了能够在一个芯片上同时满足低功耗和高精度的要求，CSU11系列SoC还提供了“功耗-精度-速度”相互平衡的选项，即用户可以通过配置较低的ADC工作电流来实现低功耗，但此种情况下线性度较差，只能够用于5000点以下的秤，也可以配置较大的工作电流来实现30,000分度的精度和线性度，为方案工程师进行多种类型的方案开发提供便利，只需要在配置上稍作改动，就可以满足不同的市场需求。太阳能人体秤的出现，主要是为了避免普通电池对环境的危害，达到环保的目的。但是，目前市面上的太阳能人体秤需要昂贵的传感器和PS08主芯片。造价成本极大的限制了太阳能人体秤的市场占有率。CSU11系列提供了专门为太阳能人体秤而设计的特性，设计时使用1KHz的AD输出速率，使用第四笔AD采样值。每秒钟称重一次，则所需的动态功耗为4次*2.5mA*(1/1000秒)=10uA，LCD显示所需的功耗为5uA(驱动电路工作电流)+5uA(玻璃消耗)=20uA。某国内大型衡器企业已经成功利用CSU1101B芯片开发了太阳能电子秤产品，并实现了批量生产，已经成功实现对欧美市场批量出口。该产品的平均工作电流小于等于25微安，在55流明光照强度下就可以起秤，完全可以适用于包括浴室在内的各种室内环境。其精度达到2000分度，具有自动开机功能，关机平均电流低于3微安。图2：基于CSU1101B成功实现批量生产的太阳能衡器产品。提高系统性能的设计建议目前，太阳能电子秤定位高端市场，并以出口欧美地区为主，为提高整机性能以及应对欧美地区严格的电磁兼容测试等相关标准，对基于CSU11系列SoC的产品设计给出如下建议，此类设计实践对基于芯海科技的其他SoC以及一般的电子产品设计均有现实的指导意义：1.提高产品抗ESD性能对产品ESD性能最为重要的是产品外壳设计，必须尽可能地保证静电能量不引入到产品的PCB中。但是，按钮和电池仓有时在外壳设计中无法避免会被ESD事件所影响。所以，提升电路的ESD性能关键是要把按钮及电源部分的防ESD措施做好。有可能暴露于ESD事件的按钮，需增加RC电路来引导ESD能量到地，一般电容取值为0.1μF，电阻取值为10K。按键周围最好能敷满地线(采用实心铺地，不要网格铺地)。PCB上的电源接入点(电池仓与PCB之间的连线焊接点)附近，电源线焊点后必须紧接一个105电容(104电容亦可，但105电容可提高抗ESD上限)，此电容主要用于在电池仓开盖打ESD时，泄放静电能量到地。此处的地应该铺成一片大地。除上述两个措施之外，如果要进一步提高ESD性能，PCB上的地应尽可能地铺大片实心的地，不要使用网格铺地的方式。而且，地与地之间的连接要良好，切忌零散地铺地和各块地之间使用细线连接的情况。此外，传感器的地线接法设计，也有利于提升抗ESD性能。原则上，传感器的地线焊点应尽可能靠近电源接入焊点，以使静电能量无需经过板上绕线即到达传感器，从而减轻对芯片的冲击。2.提升AD性能对于高精度手掌秤，特别是两万点以上精度的手掌秤而言，电路及PCB设计至关重要，合理的设计可以有效提高整秤性能。传感器上的电容应尽量靠近芯片管脚，且走线尽量等长平行。在AVDD与AGND之间，尽量靠近芯片的地方接一个105电容。在开发具有时钟功能的秤或者需要通信的秤时，通常需要使用外接晶振。晶振尽量接近芯片，走线平行，晶振底部不能走线，敷满地线。小结：芯海科技将高性能ADC与MCU集成的产品开发思路为衡器行业提供了极具竞争性的解决方案，目前相关IC在国内超过千家企业中得到广泛应用，低功耗的太阳能电子称解决方案的推出顺应了当前全球低碳经济发展的大趋势。本文介绍的CSU11系列芯片日前获得《电子工程专辑》2010年度热门产品奖，再次彰显了创新的产品设计思路和高性价比特点。事实上，除了太阳能衡器应用，CSU11XX系列还广泛适用于工业过程控制、液体/其他化学分析、便携式产品、智能变换器、太阳能人体秤、便携式医疗设备智能电表等工业应用领域。为缩短客户的产品面市时间并降低研发成本，芯海科技从产品上市之初就以“IC+系统标准方案”为终端客户或方案商提供应用支持，并提供成套的开发工具及丰富的应用软件包。