超低功耗硬件电路设计.pptx

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1、第5章超低功耗硬件电路设计5.1超低功耗系统的电源5.2电源管理5.3超低功耗信号调理电路5.4功耗的计算与测量5.1超低功耗系统的电源5.1.1常用电池及特性5.1.2超低功耗稳压电路5.1.31.5V电池升压电路5.1.4自动升/降压电路5.1.1常用电池及特性(1)电池的指标(2)锌锰电池(3)碱性电池(4)纽扣电池(5)锂电池(6)镍氢、镍镉电池(7)铅酸电池(Pb-Acid Battery)(1)电池的指标1)标称电压标称电压指的是单节新电池(电量充足时)的输出电压。2)放电终止电压随着电池的使用，其输出电压会逐渐下降，当电压下降到终止电压时，说明电池耗尽。3)内阻电池内作为电解质的

2、电解液并非理想导体，存在一定的电阻称为电池的内阻。4)容量一般用放电电流与放电时间的乘积作为电池容量单位。5)自放电随着储存时间，电解质与电极活性材料会逐渐失效，容量逐渐下降。6)使用温度电池内一般含有液体或凝胶状电解液，环境温度过低时会冻结造成失效；环境温度过高时会造成电解液失效或沸腾爆炸。7)外形尺寸同种类的电池，尺寸越大所盛放的电解质越多，容量越大。(1)电池的指标(2)锌锰电池图5.1.1锌锰电池(3)碱性电池图5.1.2碱性电池(4)纽扣电池图5.1.3各种纽扣电池(5)锂电池图5.1.4各种锂电池(5)锂电池图5.1.5锂-亚硫酰氯电池(6)镍氢、镍镉电池图5.1.6镍镉/镍氢电池

3、(7)铅酸电池(Pb-Acid Battery)图5.1.7各种铅酸电池电池的电压会随着使用逐渐下降，直到电池的终止放电电压为止，宣告电池寿命终结。新电池与旧电池的电压差别可能达到30%甚至更多。对于采用电池供电的超低功耗系统来说，应该能够在电源电压大幅度降落的情况下正常工作。5.1.2超低功耗稳压电路5.1.2超低功耗稳压电路图5.1.8HT7系列低功耗、低压差稳压集成电路5.1.2超低功耗稳压电路图5.1.9TPS797系列低功耗、低压差稳压集成电路5.1.2超低功耗稳压电路图5.1.10SP6200系列低功耗、低压差稳压集成电路5.1.31.5V电池升压电路图5.1.111.5V升压集成

4、电路5.1.4自动升/降压电路图5.1.12TPS630系列升降压(Buck/Boost)稳压电路5.1.4自动升/降压电路图5.1.13HT77系列自动升压稳压电路5.2电源管理5.2.1电源开关电路5.2.2外部电路的电源管理5.2.3零功耗电路设计5.2.1电源开关电路图5.2.1电子式电源开关5.2.1电源开关电路(1)单键电源开关电路(2)双键电源开关电路(3)受程序控制的电源开关电路(1)单键电源开关电路图5.2.2单键电源开关电路(1)单键电源开关电路图5.2.3用MOS管控制大功率负载(2)双键电源开关电路图5.2.4双键带稳压电源开关电路(2)双键电源开关电路图5.2.5双键

5、带短路保护的电源开关电路(3)受程序控制的电源开关电路图5.2.6带稳压的程序可控电源开关电路(3)受程序控制的电源开关电路图5.2.7低成本的程序控制电源开关电路(3)受程序控制的电源开关电路图5.2.8受程序控制的电源开关5.2.2外部电路的电源管理(1)使用带有关断功能的器件(2)用电源开关电路进行电源管理(3)避免I/O口漏电流(1)使用带有关断功能的器件图5.2.9低功耗RS-232电平转换电路(2)用电源开关电路进行电源管理图5.2.10用晶体管作电源开关(2)用电源开关电路进行电源管理图5.2.11用PMOS管作电源开关(3)避免I/O口漏电流图5.2.12I/O口漏电流的产生5

6、.2.3零功耗电路设计图5.2.13零功耗RS-232电平转换电路5.3超低功耗信号调理电路5.3.1超低功耗运放选型5.3.2超低功耗的基本模拟电路单元5.3.1超低功耗运放选型(1)静态工作电流(2)工作电压(3)摆幅(4)失调电压(5)失调漂移(1)静态工作电流运放的静态工作电流(Supply Current)指的是运放不接任何负载，且输入信号不变化(直流)时的耗电，可以理解为运放自身的耗电。(2)工作电压运放的电源电压指的是运放正电源管脚与负电源管脚之间的电压差。其中运放能够正常工作的电源电压范围称为工作电压(Supply Voltage)。(3)摆幅在超低功耗电路中，一般采用电池供电

7、，电压较低，所以应尽量采用满摆幅(Output Swing)或轨对轨运放，以获得足够的输出幅度，并提高电池电压利用能力，延长电池寿命。(4)失调电压一般来说，大部分运放的失调电压在数百V至几mV的数量级。对于输入电压幅度越小、放大倍数越高以及精度要求越高的电路应用中，要求运放的失调电压(Offset Voltage)越小。(5)失调漂移虽然失调造成的零点偏移可以通过调零电路或数字计算的方法补偿，但是如果失调电压值在使用过程中发生改变，仍会带来新的误差。5.3.2超低功耗的基本模拟电路单元(1)低功耗同向放大器(2)低功耗反向放大器(3)低功耗I/V变换器(4)低功耗仪表放大器(差动放大器)(1

8、)低功耗同向放大器图5.3.1同向放大器的反馈电阻耗电(1)低功耗同向放大器图5.3.2用单电源同向放大器放大正/负信号(1)低功耗同向放大器图5.3.3单电源同向交流放大器(2)低功耗反向放大器图5.3.4反向放大器的反馈电阻耗电(2)低功耗反向放大器图5.3.5用反向放大器测量系统总电流的原理图(2)低功耗反向放大器图5.3.6用单电源反向放大器放大正/负信号(3)低功耗I/V变换器图5.3.7I/V变换电路a)I/V变换器b)I/V变换器用于光强测量(3)低功耗I/V变换器图5.3.8I/V变换器用于互感器测量电路(4)低功耗仪表放大器(差动放大器)图5.3.9仪表放大器的内部结构(4)

9、低功耗仪表放大器(差动放大器)图5.3.10用仪表放大器放大压力传感器信号(4)低功耗仪表放大器(差动放大器)图5.3.11用分立运放构成差动放大器5.4功耗的计算与测量5.4.1MSP430单片机系统功耗的估算方法5.4.2功耗的测量方法5.4.1MSP430单片机系统功耗的估算方法图5.4.1MSP430单片机系统的工作电流示意图5.4.1MSP430单片机系统功耗的估算方法例5.4.1某MSP430单片机系统中每1/32s唤醒一次，全速运行2ms，然后继续休眠，系统中LCD固定功耗3.5A，电源稳压器件固定功耗2.4A。计算一节CR2032纽扣电池能为该系统提供多长时间的电力供应？解：查

10、附录A，CR2032锂电池容量约200mAh，一节电池的运行时间为如果一个工作周期中，单片机有若干个不同的工作状态(见图5.4.1右图)，也可以用类似的方法进行计算：5.4.2功耗的测量方法图5.4.2用指针式电流表测量平均功耗5.4.2功耗的测量方法图5.4.3用电容和电压表测量平均功耗5.4.2功耗的测量方法例5.4.2用一只10000F电容作为储能电容，测量某超低功耗单片机系统从电池电压3.6V下降到2.7V过程中的平均耗电电流。测试数据如下：)断开S2，电容从3.6V下降到2.7V耗时t1=2小时12分35秒(7235s)接通S2，电容从3.6V下降到2.7V耗时t2=9分22秒(562s)先计算测量系统自身耗电：再计算总耗电：两者相减，得到被测系统的耗电：