廢舊電池對人類生存環境的威脅已經成為社會共識，通過降低功耗來減少電池使用量正在成為很多電子產品企業的選擇。隨著太陽能電池技術進步和低功耗半導體設計技術的發展，太陽能電池替代傳統電池的應用逐漸出現。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計方案。
低功耗太陽能衡器設計要點
對于使用傳統電池供電的衡器產品而言，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，太陽能電池板發電量低（室內μA級），并存在隨著光線強度的差異電流不穩定的問題。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：增加儲能電路，讓太陽能電池板發出的電量儲存起來（在200流明下，一般只能提供幾十μA電流）；降低功耗，整機關機和工作電流分別均需在nA、μA級。
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現整體低功耗特性：對傳感器采用間歇供電或脈沖供電來降低傳感器用電功耗；采用高阻應變傳感器；提高ADC輸出速率，減少每次采樣時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運行速度以降低每MHz的功耗；降低LCD驅動電路功耗；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填補了國內中高端電子衡器芯片領域的空白。在滿足高精度需求的同時，該公司針對當前低功耗應用的發展趨勢，推出了具有極佳低功耗特性的CSU11系列衡器SoC芯片，最大的優勢是同時滿足了自動上秤人體秤、太陽能人體秤對低功耗的要求，以及口袋秤對高精度的要求。該系列產品綜合考慮了上述低功耗設計因素，實現了極佳的低功耗特性，利用CSU11系列SoC設計的自動上秤人體秤，平均待機功耗可以低至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（可作為用戶數據PROM）、256 RAM、4*18 LCD，以及16個I/O口（除了這16個I/O口外，所有的“Seg”口均可復用為輸出，令IO總數最多達到26個），雙通道高速、高精度ADC，最高數據輸出速率為16kHz（精度為12位，增益為32），最高精度達到18位（增益為128，速率為32Hz）。為了能夠在一個芯片上同時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，即用戶可以通過配置較低的ADC工作電流來實現低功耗，但此種情況下線性度較差，只能夠用于5000點以下的秤，也可以配置較大的工作電流來實現30，000分度的精度和線性度，為方案工程師進行多種類型的方案開發提供便利，只需要在配置上稍作改動，就可以滿足不同的市場需求。
太陽能人體秤的出現，主要是為了避免普通電池對環境的危害，達到環保的目的。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。高昂的造價成本極大地限制了太陽能人體秤的市場占有率。CSU11系列提供了專門為太陽能人體秤而設計的特性，設計時使用1KHz的AD輸出速率，使用第四筆AD采樣值。每秒鐘稱重一次，則所需的動態功耗為4次*2.5mA*（1/1000秒）=10μA，LCD顯示所需的功耗為5μA（驅動電路工作電流）+5μA（玻璃消耗）=20μA。
目前，國內某大型衡器企業已經成功利用CSU1101B芯片開發了太陽能電子秤產品，并實現了批量生產，已經成功實現對歐美市場批量出口。該產品的平均工作電流小于等于25μA，在55流明光照強度下就可以起秤，完全可以適用于包括浴室在內的各種室內環境。其精度達到2，000分度，具有自動開機功能，關機平均電流低于3μA。
廢舊電池對人類生存環境的威脅已經成為社會共識，通過降低功耗來減少電池使用量正在成為很多電子產品企業的選擇。隨著太陽能電池技術進步和低功耗半導體設計技術的發展，太陽能電池替代傳統電池的應用逐漸出現。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計方案。
提高系統性能的設計建議
目前，太陽能電子秤定位高端市場，并以出口歐美地區為主，為提高整機性能以及應對歐美地區嚴格的電磁兼容測試等相關標準，對基于CSU11系列SoC的產品設計給出如下建議，此類設計實踐對基于芯海科技的其他SoC以及一般的電子產品設計均有現實的指導意義：
1. 提高產品抗ESD性能
對產品ESD性能最為重要的是產品外殼設計，必須盡可能地保證靜電能量不引入到產品的PCB中。但是，按鈕和電池倉有時在外殼設計中無法避免會被ESD事件所影響。所以，提升電路的ESD性能關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（采用實心鋪地，不要網格鋪地）。
PCB上的電源接入點（電池倉與PCB之間的連線焊接點）附近，電源線焊點后必須緊接一個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，泄放靜電能量到地。此處的地應該鋪成一片大地。
除上述兩個措施之外，如果要進一步提高ESD性能，PCB上的地應盡可能地鋪大片實心的地，不要使用網格鋪地的方式。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線連接的情況。此外，傳感器的地線接法設計，也有利于提升抗ESD性能。原則上，傳感器的地線焊點應盡可能靠近電源接入焊點，以使靜電能量無需經過板上繞線即到達傳感器，從而減輕對芯片的沖擊。
2. 提升AD性能
對于高精度手掌秤，特別是兩萬點以上精度的手掌秤而言，電路及PCB設計至關重要，合理的設計可以有效提高整秤性能。傳感器上的電容應盡量靠近芯片管腳，且走線盡量等長平行。在AVDD與AGND之間，盡量靠近芯片的地方接一個105電容。在開發具有時鐘功能的秤或者需要通信功能的秤時，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
芯海科技將高性能ADC與MCU集成的產品開發思路為衡器行業提供了極具競爭性的解決方案，目前相關IC在國內超過千家企業中得到廣泛應用，低功耗的太陽能電子稱解決方案的推出順應了當前全球低碳經濟發展的大趨勢。本文介紹的CSU11系列芯片日前獲得《電子工程專輯》2010年度熱門產品獎，再次彰顯了創新的產品設計思路和高性價比特點。事實上，除了太陽能衡器應用，CSU11XX系列還廣泛適用于工業過程控制、液體/其他化學分析、便攜式產品、智能變換器、太陽能人體秤、便攜式醫療設備智能電表等工業應用領域。為縮短客戶的產品面市時間并降低研發成本，芯海科技從產品上市之初就以“IC+系統標準方案”為終端客戶或方案商提供應用支持，并提供成套的開發工具及豐富的應用軟件包。