如何在电池应用中使用ADC中的省电模式节省功耗

作者：Mercedes Casamayor and Claire Croke

尺寸和功耗是便携式电池供电应用中的两个关键特性。否则，可以仅根据这两个功能的缺陷从便携式系统中设计出可接受的组件。每个人都希望拥有更小、更紧凑的手机、MP3 播放器、PDA 和数码相机，电池充电或更换之间的间隔时间也会更长。对于半导体制造商来说，这意味着需要具有高性能的低功耗IC，并且在更小的封装中具有相同甚至额外的功能。

在便携式电池供电应用中，电池寿命是系统设计人员的关键问题。电池放电曲线因电池类型和电流消耗而异。例如，图1显示了锂/氧化锰的典型放电曲线2具有三个典型电流负载的（初级）电池。他们表明，它必须提供的电流越高，电池寿命就越短。由于即使是少量电流也会缩短电池寿命，因此在非运行时（或在运行时尽可能）最小化系统组件静态消耗的电流可以延长电池寿命。

图1.典型放电曲线。

如今，几乎所有销售到电池供电设备市场的模拟/数字转换器（ADC）都提供省电模式作为标准功能。用于将ADC置于省电状态的技术及其有效性因器件而异。

一些ADC具有专用关断引脚，用于将器件转换为省电模式。这种方法的缺点是，额外的引脚会导致ADC的引脚数增加，从而增加封装尺寸。其他ADC，如AD7887，需要写入片内控制寄存器才能产生省电状态。多通道ADC通常就是这种情况，其中内部寄存器用于通道选择和模式选择。该板载寄存器还意味着一个额外的DATA IN串行接口引脚。

为了减少引脚数量，一些最近的ADC使用标准接口线来实现省电模式;一个例子是12位、1 MSPS AD7476A，采用微型6引脚SC-70封装。

AD7476A的3线只读串行接口不仅可以控制转换过程并访问ADC的转换结果，还用于建立器件的不同工作模式。通过在转换期间控制CS（转换开始）的状态来选择操作模式。这样做的好处是，改变模式所需的信号是标准串行接口信号。

串行接口由 CS、SCLK 和 SDATA 线路组成。正常转换需要7476个串行时钟脉冲才能完成。CS信号用于启动转换和对7476个串行时钟进行帧处理。转换启动后，CS拉高的时间将决定AD8A是否进入省电模式，或者，如果已经处于省电模式，则决定AD16A是否恢复正常工作。通过微控制器的标准 <> 或 <> 脉冲 SCLK 突发或 DSP 的任何长度的成帧信号，可以轻松更改工作模式。

图2显示了正常转换期间的时序图，图3显示了如何通过控制CS信号进入关断模式。这种工作模式旨在提供灵活的电源管理选项，并最大限度地降低不同应用要求的功耗。

图2.串行接口信号处于正常转换状态。

图3.使用串行接口信号进入省电模式。

为了降低功耗并保持电池寿命，AD7476A应在两次转换之间或多次突发转换后进入低功耗状态。

AD7476A是一款12位逐次逼近型（SAR型）ADC，采用2.35 V至5.25 V电源供电，吞吐速率高达1 MSPS。AD7476A结合了CMOS技术和先进的设计技术，可在高吞吐速率下实现低功耗。

AD7476A在周期内的平均功耗取决于其在全功耗状态（工作）下花费的时间与低功耗状态（省电）所花费的时间间隔的百分比。掉电时间越长，平均功耗越低。

为了利用AD7476A实现最低功耗，应尽快进行转换。由于转换时间由SCLK频率决定，因此SCLK频率越快，转换时间越短。因此，该器件可以在更短的时间间隔内保持省电模式，并在更短的时间内耗散最大功率。

图4显示了AD7476A在100 kSPS固定吞吐速率下不同SCLK频率下的平均功耗。转换完成后，ADC进入省电模式，并通过虚拟转换上电。如图所示，时钟频率越快，平均功耗越低。

图4.AD7476A不同串行时钟频率的功耗

图5显示，对于20 MHz的固定SCLK频率，当ADC以低吞吐速率运行时，ADC的平均功耗非常低。但是，随着吞吐速率的增加，平均功耗也会增加，因为与工作状态相比，ADC处于省电状态的时间更短。另一张图显示了在两次转换之间未实现关断模式时ADC的平均功耗。它们共同表明，虽然在较低的吞吐速率下，通过将ADC置于两次转换之间的省电状态可以实现显著的节能效果，但随着转换速率的提高，节能会逐渐减少。例如，在300 kSPS时，两种情况之间的差异小于0.5 mW。

通过标准串行接口信号实现的不同关断模式的进一步步骤是自动关断模式。随着便携式电池供电应用的超低功耗ADC趋势，ADI公司最近推出了AD7466，这是一款采用12引脚SOT-6封装的微功耗、23位SAR型ADC。该器件的工作电压范围为 1.6 V 至 3.6 V，吞吐速率高达 200 kSPS。

图5.AD7476A功耗比较

AD7466在转换前上电，转换完成后返回省电模式;这消除了虚拟转换的需要。与AD7476A相同，AD7466的转换时间由SCLK决定，通过提高串行时钟速度可以缩短转换时间，从而提供相同的节能效果。

图6显示了AD7466在不同吞吐速率、串行时钟频率和电源下的功耗。省电模式下的电流消耗典型值为8 nA。AD7466采用0 V工作电压时最大功耗为9.3 mW，0 kSPS时功耗为3.1 V时最大功耗为8.100 mW。

图6.AD7466不同SCLK和电源电压下的功耗与吞吐速率的关系

我们已经证明，更快的SCLK频率和更长的关断模式大大降低了ADC的平均功耗。这些节能特性与节省空间的6引脚2 mm×2.1 mm SC70表贴封装相结合，使AD7476A成为便携式电池供电应用的理想选择，也是其他解决方案的非常紧凑的替代方案。对于功耗极低的3.6 V<应用，AD7466是理想的解决方案。

审核编辑：郭婷