系统低功耗模拟组件的设计技术

本文将介绍系统低功耗模拟组件的设计技术

尝试降低系统功耗时，一种方法是寻找要优化或移除的设备。另一种方法是在组件级别进行评估之前，将系统作为一个整体进行评估并针对系统功能进行优化。

添加外部 ADC 以降低整体系统功耗

在低功耗数据采集系统中，将模数转换器 (ADC) 集成到控制器中可减少整体组件数量、成本和理想的功耗。但这种做法实际上可能会增加整体功耗。

当以 1kSPS 采样时，几个低功耗微控制器 (MCU) 中集成 ADC 的典型功耗通常大于分立 ADC 的功耗（图 1）。因此，您实际上可以通过放置一个低功耗 ADC，如微控制器外部的 ADS7042，并关闭微控制器的集成 ADC。事实上，TI 的ADS7042超低功耗 12 位 ADC 在以 1kSPS 采样时仅消耗 234nW 的功率。

图 1：集成 ADC 与 ADS7042 在 1kSPS 时的功耗

使用分立式 ADC 而不是集成式 ADC 的另一个好处是，您可以将转换器保持在传感器信号附近，以最大限度地减少噪声拾取。分立式 ADC 还可以帮助扩展微控制器可以支持的模拟输入通道的数量。

添加设备以节省功率的一个问题是分立设备所需的电路板面积。ADS7042 的 1.5mm x 1.5mm 8 引脚四方扁平无引线 (QFN) 封装比标准 0805 表面贴装组件更小，从而最大限度地减少了对整体系统设计尺寸的影响。此外，低引脚数有助于在布局过程中最大限度地减少布线。

检查低功耗数据采集系统电路

无论您最终为低功耗数据采集系统选择哪种类型的 ADC，重要的是要了解如何优化 ADC 周围的电路以降低整体功耗。数据采集​​系统中的主要组件是传感器输入、将传感器信号驱动到 ADC 的缓冲器、ADC 和 ADC 的电源。

ADS7042 BoosterPack展示了一个低功耗数据采集系统的示例，它是一款与TI LaunchPad™ 开发套件生态系统兼容的开发板。ADS7042 BoosterPack 上的电路旨在转换来自板载环境光传感器或超小型 A 型 (SMA) 连接器的模拟数据（图 2）。

图 2：ADS7042 BoosterPack 上模拟输入信号的电路图

当从连接到由 OPA316 缓冲的 SMA 连接器的模拟传感器源转换外部传感器输入时，驱动器在 3.3V 时消耗 400µA 的电流，从而导致 1.32mW 的功耗。这大约占系统总功率的 65%——其中包括 REFE3330 电压基准的功率 (12.87µW) 和 ADS7042 ADC 的功率 (690µW)。如果传感器在没有额外驱动器的情况下直接连接到 ADC，就像板载环境光传感器一样，传感器电路仅消耗 99µW 的功率。这是 OPA316 在电路的第一个实现中消耗的功率的 7.5%，甚至没有考虑驱动模拟输入信号源所需的功率（表 1）。

表 1：ADS7042 BoosterPack 的电路功耗

减少对驱动器的需求有助于降低整体功耗。但是，使用此解决方案有明显的权衡取舍。您必须降低 ADC 的采样率，以最大限度地延长输入采样电容器 (C SH ) 的建立时间。但这还具有降低采样率和 ADC 功耗的优势，因为转换器的功耗与采样率呈线性关系（图 3）。

图 3：ADS7042 的功耗与采样率

在此示例中，使用外部分立式 ADC 有助于降低整体系统功耗。

审核编辑：汤梓红