降低電容感應(yīng)應(yīng)用的功耗

電容感應(yīng)是一種有效的技術(shù)，適用于從接近檢測(cè)和手勢(shì)識(shí)別到液位感應(yīng)的應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用的不同，在靈敏度、響應(yīng)能力和功率方面會(huì)有不同的系統(tǒng)要求。功耗是許多應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)，包括可穿戴設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品和一些汽車應(yīng)用。那么如何降低系統(tǒng)的功耗呢？在這篇文章中，我將介紹降低電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器功耗的技術(shù)。我進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這些降低功率技術(shù)的有效性。

占空比

電容感應(yīng)目前使用不同的電路架構(gòu)，正如我在之前的電容感應(yīng)架構(gòu)比較博文中所解釋的那樣。特別是，電感-電容 (LC) 槽路架構(gòu)測(cè)量振蕩頻率的變化以確定電容的變化。槽路振蕩頻率 (f OSC ) 與獨(dú)立參考時(shí)鐘 (f REF ) 進(jìn)行比較，以產(chǎn)生將 f OSC表示為 f REF一部分的輸出樣本. 對(duì)于連續(xù)采樣模式，這些類型的設(shè)備的功耗通常約為幾毫安。對(duì)于低功耗應(yīng)用，對(duì)器件進(jìn)行占空比有助于降低功耗，因?yàn)槠骷恢糜诘凸哪Ｊ?，并且僅在執(zhí)行測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)才處于活動(dòng)狀態(tài)。這最大限度地減少了流經(jīng)設(shè)備的電流總量，因此降低了整體功耗。

與這種占空比技術(shù)相關(guān)的主要權(quán)衡之一是響應(yīng)能力。采樣率越高，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，但代價(jià)是平均功率更高。但是，對(duì)于不需要超快響應(yīng)時(shí)間的應(yīng)用，可以使用較低的采樣率來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的功耗。例如，許多人機(jī)界面 (HMI) 只需要以 40 SPS 或更低的采樣率運(yùn)行。給定采樣率的測(cè)量的總轉(zhuǎn)換時(shí)間也會(huì)影響功耗，具體取決于分辨率要求。這個(gè)概念對(duì)應(yīng)于設(shè)備在特定采樣率下的占空比。

時(shí)鐘門控

降低這些電容式傳感設(shè)備功耗的第二個(gè)重要技術(shù)是外部參考時(shí)鐘的門控。簡(jiǎn)而言之，每當(dāng)設(shè)備進(jìn)入低功耗模式時(shí)，參考時(shí)鐘也會(huì)關(guān)閉。這不僅降低了外部時(shí)鐘的功耗，而且顯著降低了器件引腳的漏電流。

測(cè)試設(shè)置

我使用TI Designs 抗噪聲電容接近傳感器系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)測(cè)試了這些技術(shù)，該參考設(shè)計(jì)使用了 TI 電容感應(yīng) IC FDC2214。在僅啟用一個(gè)通道（通道 0，接近傳感器）的情況下，我使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量了流經(jīng)FDC2214的電流。圖 1 顯示了測(cè)試設(shè)置，測(cè)試條件在表 1 中給出。

圖 1：測(cè)試設(shè)置

表 1：測(cè)試條件

門控時(shí)鐘測(cè)量

對(duì) TIDA-00466 進(jìn)行了編程，使FDC2214僅在以下三種狀態(tài)之一中運(yùn)行：活動(dòng)、睡眠和關(guān)閉。對(duì)于每種狀態(tài)，測(cè)量了器件的電流消耗，并在表 2 中給出。

表2 ：每種狀態(tài)的電流消耗：門控時(shí)鐘

這些電源電流值采用門控外部參考時(shí)鐘。如果在FDC2214處于睡眠或關(guān)斷模式時(shí)時(shí)鐘未關(guān)閉，則這些模式下的功耗將顯著增加，如表 3 所示。時(shí)鐘轉(zhuǎn)換導(dǎo)致器件輸入引腳漏電流增加，當(dāng)與正常模式電流相比，但在添加到較低功率模式電流時(shí)非常重要。

表3 ：每個(gè)狀態(tài)下的電流消耗，不包括外部參考時(shí)鐘

占空比測(cè)量

正如預(yù)期的那樣，圖 2 顯示了電流消耗和 RCOUNT 之間的近似線性關(guān)系。由于 RCOUNT 與傳感器轉(zhuǎn)換時(shí)間直接相關(guān)，因此較低的 RCOUNT 會(huì)導(dǎo)致更短的轉(zhuǎn)換時(shí)間，并允許設(shè)備花費(fèi)更少的時(shí)間主動(dòng)運(yùn)行和更多的時(shí)間處于睡眠模式（每個(gè)采樣周期）。對(duì)于給定的采樣率，較低的 RCOUNT 消耗更少的電流，而較高的 RCOUNT 消耗更多的電流。理解這種關(guān)系的另一種方法是，如果 RCOUNT 保持不變但采樣率發(fā)生變化，則以較高速率采樣的FDC2214比以較低速率采樣的FDC2214消耗更多功率。

圖 2：在指定采樣率下不同 RCOUNT 值的電流消耗

概括

占空比和時(shí)鐘門控是降低功耗的有效技術(shù)。為確保流經(jīng)器件的電流最小，請(qǐng)?jiān)谄骷幱诘凸哪Ｊ綍r(shí)關(guān)閉用作參考時(shí)鐘的外部振蕩器。不同采樣率下不同 RCOUNT 值的結(jié)果電流值遵循預(yù)期趨勢(shì)。此外，TI 提供的FDC211x/FDC221x 電流消耗估算器可用作估算最壞情況功耗情況的參考工具。