廢舊電池對(duì)人類生存環(huán)境的威脅已經(jīng)成為社會(huì)共識(shí)，通過降低功耗來減少電池使用量正在成為很多電子產(chǎn)品企業(yè)的選擇。隨著太陽能電池技術(shù)進(jìn)步和低功耗半導(dǎo)體設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，太陽能電池替代傳統(tǒng)電池的應(yīng)用逐漸出現(xiàn)。本文將介紹基于低功耗CSU11系列衡器SoC芯片的太陽能電子秤設(shè)計(jì)方案。
低功耗太陽能衡器設(shè)計(jì)要點(diǎn)
對(duì)于使用傳統(tǒng)電池供電的衡器產(chǎn)品而言，通常受體積和成本限制，如果采用太陽能電池板，其面積必然有限，從而限制了太陽能電池板的供電電量。此外，太陽能電池板發(fā)電量低（室內(nèi)μA級(jí)），并存在隨著光線強(qiáng)度的差異電流不穩(wěn)定的問題。因此，使用太陽能電池板供電的衡器解決方案需要解決以下問題：增加儲(chǔ)能電路，讓太陽能電池板發(fā)出的電量?jī)?chǔ)存起來（在200流明下，一般只能提供幾十μA電流）；降低功耗，整機(jī)關(guān)機(jī)和工作電流分別均需在nA、μA級(jí)。
電子衡器耗電量大的主要是傳感器、ADC、MCU三大塊。為此，通常的解決方案需要采用以下方法來實(shí)現(xiàn)整體低功耗特性：對(duì)傳感器采用間歇供電或脈沖供電來降低傳感器用電功耗；采用高阻應(yīng)變傳感器；提高ADC輸出速率，減少每次采樣時(shí)間從而降低采樣功耗；提高ADC有效位，以在高速下保證衡器精度；提高SoC運(yùn)行速度以降低每MHz的功耗；降低LCD驅(qū)動(dòng)電路功耗；提高集成度，減少外圍器件。
芯海科技推出的高精度24位ADC芯片CS1242填補(bǔ)了國內(nèi)中高端電子衡器芯片領(lǐng)域的空白。在滿足高精度需求的同時(shí)，該公司針對(duì)當(dāng)前低功耗應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，推出了具有極佳低功耗特性的CSU11系列衡器SoC芯片，最大的優(yōu)勢(shì)是同時(shí)滿足了自動(dòng)上秤人體秤、太陽能人體秤對(duì)低功耗的要求，以及口袋秤對(duì)高精度的要求。該系列產(chǎn)品綜合考慮了上述低功耗設(shè)計(jì)因素，實(shí)現(xiàn)了極佳的低功耗特性，利用CSU11系列SoC設(shè)計(jì)的自動(dòng)上秤人體秤，平均待機(jī)功耗可以低至3μA以下，太陽能人體秤稱重電流20μA以下，口袋秤分度可以達(dá)到三萬分之一。
CSU11系列SoC集成了8位RISC MCU，4K*16 OTP（可作為用戶數(shù)據(jù)PROM）、256 RAM、4*18 LCD，以及16個(gè)I/O口（除了這16個(gè)I/O口外，所有的“Seg”口均可復(fù)用為輸出，令I(lǐng)O總數(shù)最多達(dá)到26個(gè)），雙通道高速、高精度ADC，最高數(shù)據(jù)輸出速率為16kHz（精度為12位，增益為32），最高精度達(dá)到18位（增益為128，速率為32Hz）。為了能夠在一個(gè)芯片上同時(shí)滿足低功耗和高精度的要求，CSU11系列SoC還提供了“功耗-精度-速度”相互平衡的選項(xiàng)，即用戶可以通過配置較低的ADC工作電流來實(shí)現(xiàn)低功耗，但此種情況下線性度較差，只能夠用于5000點(diǎn)以下的秤，也可以配置較大的工作電流來實(shí)現(xiàn)30，000分度的精度和線性度，為方案工程師進(jìn)行多種類型的方案開發(fā)提供便利，只需要在配置上稍作改動(dòng)，就可以滿足不同的市場(chǎng)需求。
太陽能人體秤的出現(xiàn)，主要是為了避免普通電池對(duì)環(huán)境的危害，達(dá)到環(huán)保的目的。但是，目前市面上的太陽能人體秤需要昂貴的傳感器和PS08主芯片。高昂的造價(jià)成本極大地限制了太陽能人體秤的市場(chǎng)占有率。CSU11系列提供了專門為太陽能人體秤而設(shè)計(jì)的特性，設(shè)計(jì)時(shí)使用1KHz的AD輸出速率，使用第四筆AD采樣值。每秒鐘稱重一次，則所需的動(dòng)態(tài)功耗為4次*2.5mA*（1/1000秒）=10μA，LCD顯示所需的功耗為5μA（驅(qū)動(dòng)電路工作電流）+5μA（玻璃消耗）=20μA。
目前，國內(nèi)某大型衡器企業(yè)已經(jīng)成功利用CSU1101B芯片開發(fā)了太陽能電子秤產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)對(duì)歐美市場(chǎng)批量出口。該產(chǎn)品的平均工作電流小于等于25μA，在55流明光照強(qiáng)度下就可以起秤，完全可以適用于包括浴室在內(nèi)的各種室內(nèi)環(huán)境。其精度達(dá)到2，000分度，具有自動(dòng)開機(jī)功能，關(guān)機(jī)平均電流低于3μA。
廢舊電池對(duì)人類生存環(huán)境的威脅已經(jīng)成為社會(huì)共識(shí)，通過降低功耗來減少電池使用量正在成為很多電子產(chǎn)品企業(yè)的選擇。隨著太陽能電池技術(shù)進(jìn)步和低功耗半導(dǎo)體設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，太陽能電池替代傳統(tǒng)電池的應(yīng)用逐漸出現(xiàn)。本文將介紹基于低功耗CSU11系列衡器SoC芯片的太陽能電子秤設(shè)計(jì)方案。
低功耗太陽能衡器設(shè)計(jì)要點(diǎn)
對(duì)于使用傳統(tǒng)電池供電的衡器產(chǎn)品而言，通常受體積和成本限制，如果采用太陽能電池板，其面積必然有限，從而限制了太陽能電池板的供電電量。此外，太陽能電池板發(fā)電量低（室內(nèi)μA級(jí)），并存在隨著光線強(qiáng)度的差異電流不穩(wěn)定的問題。因此，使用太陽能電池板供電的衡器解決方案需要解決以下問題：增加儲(chǔ)能電路，讓太陽能電池板發(fā)出的電量?jī)?chǔ)存起來（在200流明下，一般只能提供幾十μA電流）；降低功耗，整機(jī)關(guān)機(jī)和工作電流分別均需在nA、μA級(jí)。
電子衡器耗電量大的主要是傳感器、ADC、MCU三大塊。為此，通常的解決方案需要采用以下方法來實(shí)現(xiàn)整體低功耗特性：對(duì)傳感器采用間歇供電或脈沖供電來降低傳感器用電功耗；采用高阻應(yīng)變傳感器；提高ADC輸出速率，減少每次采樣時(shí)間從而降低采樣功耗；提高ADC有效位，以在高速下保證衡器精度；提高SoC運(yùn)行速度以降低每MHz的功耗；降低LCD驅(qū)動(dòng)電路功耗；提高集成度，減少外圍器件。
芯海科技推出的高精度24位ADC芯片CS1242填補(bǔ)了國內(nèi)中高端電子衡器芯片領(lǐng)域的空白。在滿足高精度需求的同時(shí)，該公司針對(duì)當(dāng)前低功耗應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，推出了具有極佳低功耗特性的CSU11系列衡器SoC芯片，最大的優(yōu)勢(shì)是同時(shí)滿足了自動(dòng)上秤人體秤、太陽能人體秤對(duì)低功耗的要求，以及口袋秤對(duì)高精度的要求。該系列產(chǎn)品綜合考慮了上述低功耗設(shè)計(jì)因素，實(shí)現(xiàn)了極佳的低功耗特性，利用CSU11系列SoC設(shè)計(jì)的自動(dòng)上秤人體秤，平均待機(jī)功耗可以低至3μA以下，太陽能人體秤稱重電流20μA以下，口袋秤分度可以達(dá)到三萬分之一。
CSU11系列SoC集成了8位RISC MCU，4K*16 OTP（可作為用戶數(shù)據(jù)PROM）、256 RAM、4*18 LCD，以及16個(gè)I/O口（除了這16個(gè)I/O口外，所有的“Seg”口均可復(fù)用為輸出，令I(lǐng)O總數(shù)最多達(dá)到26個(gè)），雙通道高速、高精度ADC，最高數(shù)據(jù)輸出速率為16kHz（精度為12位，增益為32），最高精度達(dá)到18位（增益為128，速率為32Hz）。為了能夠在一個(gè)芯片上同時(shí)滿足低功耗和高精度的要求，CSU11系列SoC還提供了“功耗-精度-速度”相互平衡的選項(xiàng)，即用戶可以通過配置較低的ADC工作電流來實(shí)現(xiàn)低功耗，但此種情況下線性度較差，只能夠用于5000點(diǎn)以下的秤，也可以配置較大的工作電流來實(shí)現(xiàn)30，000分度的精度和線性度，為方案工程師進(jìn)行多種類型的方案開發(fā)提供便利，只需要在配置上稍作改動(dòng)，就可以滿足不同的市場(chǎng)需求。
太陽能人體秤的出現(xiàn)，主要是為了避免普通電池對(duì)環(huán)境的危害，達(dá)到環(huán)保的目的。但是，目前市面上的太陽能人體秤需要昂貴的傳感器和PS08主芯片。高昂的造價(jià)成本極大地限制了太陽能人體秤的市場(chǎng)占有率。CSU11系列提供了專門為太陽能人體秤而設(shè)計(jì)的特性，設(shè)計(jì)時(shí)使用1KHz的AD輸出速率，使用第四筆AD采樣值。每秒鐘稱重一次，則所需的動(dòng)態(tài)功耗為4次*2.5mA*（1/1000秒）=10μA，LCD顯示所需的功耗為5μA（驅(qū)動(dòng)電路工作電流）+5μA（玻璃消耗）=20μA。
目前，國內(nèi)某大型衡器企業(yè)已經(jīng)成功利用CSU1101B芯片開發(fā)了太陽能電子秤產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)對(duì)歐美市場(chǎng)批量出口。該產(chǎn)品的平均工作電流小于等于25μA，在55流明光照強(qiáng)度下就可以起秤，完全可以適用于包括浴室在內(nèi)的各種室內(nèi)環(huán)境。其精度達(dá)到2，000分度，具有自動(dòng)開機(jī)功能，關(guān)機(jī)平均電流低于3μA。
提高系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)建議
目前，太陽能電子秤定位高端市場(chǎng)，并以出口歐美地區(qū)為主，為提高整機(jī)性能以及應(yīng)對(duì)歐美地區(qū)嚴(yán)格的電磁兼容測(cè)試等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基于CSU11系列SoC的產(chǎn)品設(shè)計(jì)給出如下建議，此類設(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)基于芯海科技的其他SoC以及一般的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)均有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義：
1. 提高產(chǎn)品抗ESD性能
對(duì)產(chǎn)品ESD性能最為重要的是產(chǎn)品外殼設(shè)計(jì)，必須盡可能地保證靜電能量不引入到產(chǎn)品的PCB中。但是，按鈕和電池倉有時(shí)在外殼設(shè)計(jì)中無法避免會(huì)被ESD事件所影響。所以，提升電路的ESD性能關(guān)鍵是要把按鈕及電源部分的防ESD措施做好。
有可能暴露于ESD事件的按鈕，需增加RC電路來引導(dǎo)ESD能量到地，一般電容取值為0.1μF，電阻取值為10K。按鍵周圍最好能敷滿地線（采用實(shí)心鋪地，不要網(wǎng)格鋪地）。
PCB上的電源接入點(diǎn)（電池倉與PCB之間的連線焊接點(diǎn)）附近，電源線焊點(diǎn)后必須緊接一個(gè)105電容（104電容亦可，但105電容可提高抗ESD上限），此電容主要用于在電池倉開蓋打ESD時(shí)，泄放靜電能量到地。此處的地應(yīng)該鋪成一片大地。
除上述兩個(gè)措施之外，如果要進(jìn)一步提高ESD性能，PCB上的地應(yīng)盡可能地鋪大片實(shí)心的地，不要使用網(wǎng)格鋪地的方式。而且，地與地之間的連接要良好，切忌零散地鋪地和各塊地之間使用細(xì)線連接的情況。此外，傳感器的地線接法設(shè)計(jì)，也有利于提升抗ESD性能。原則上，傳感器的地線焊點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近電源接入焊點(diǎn)，以使靜電能量無需經(jīng)過板上繞線即到達(dá)傳感器，從而減輕對(duì)芯片的沖擊。
2. 提升AD性能
對(duì)于高精度手掌秤，特別是兩萬點(diǎn)以上精度的手掌秤而言，電路及PCB設(shè)計(jì)至關(guān)重要，合理的設(shè)計(jì)可以有效提高整秤性能。傳感器上的電容應(yīng)盡量靠近芯片管腳，且走線盡量等長(zhǎng)平行。在AVDD與AGND之間，盡量靠近芯片的地方接一個(gè)105電容。在開發(fā)具有時(shí)鐘功能的秤或者需要通信功能的秤時(shí)，通常需要使用外接晶振，晶振要盡量接近芯片，走線平行，晶振底部不能走線，敷滿地線。
本文小結(jié)
芯海科技將高性能ADC與MCU集成的產(chǎn)品開發(fā)思路為衡器行業(yè)提供了極具競(jìng)爭(zhēng)性的解決方案，目前相關(guān)IC在國內(nèi)超過千家企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，低功耗的太陽能電子稱解決方案的推出順應(yīng)了當(dāng)前全球低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢(shì)。本文介紹的CSU11系列芯片日前獲得《電子工程專輯》2010年度熱門產(chǎn)品獎(jiǎng)，再次彰顯了創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路和高性價(jià)比特點(diǎn)。事實(shí)上，除了太陽能衡器應(yīng)用，CSU11XX系列還廣泛適用于工業(yè)過程控制、液體/其他化學(xué)分析、便攜式產(chǎn)品、智能變換器、太陽能人體秤、便攜式醫(yī)療設(shè)備智能電表等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。為縮短客戶的產(chǎn)品面市時(shí)間并降低研發(fā)成本，芯海科技從產(chǎn)品上市之初就以“IC+系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方案”為終端客戶或方案商提供應(yīng)用支持，并提供成套的開發(fā)工具及豐富的應(yīng)用軟件包。