Maxim芯片在節(jié)能設計中的應用

    摘要：對于便攜式設備，消費者迫切要求延長其電池壽命；對于非便攜式設備，不斷飆升的能源價格和最新的能源之星(Energy Star®)規(guī)劃也促使公眾更加關(guān)注待機功耗問題。因此，符合綠色能源規(guī)范并降低待機功耗已經(jīng)成為設計者追求的新目標，特別是對于每天工作24小時的系 統(tǒng)。為了滿足低功耗要求，電路設計人員深知細節(jié)決定成敗，需要對每一部分電路的電流進行仔細測算。本文介紹了Maxim芯片在典型系統(tǒng)中的應用，有助于設 計人員降低系統(tǒng)功耗。文中給出的實例只是Maxim眾多超低電流器件中的幾個典型例子。

    消費者迫切要求延長便攜設備的電池壽命，這也是理所應當?shù)囊蟆．a(chǎn)品使用的便利性同樣至關(guān)重要，這一理念已經(jīng)滲透到全社會。例如，我 們不愿意排隊等候，不能忍受交通堵塞等等，我們往往會為享受特殊待遇而不吝嗇于掏腰包。于是，我們有了自動提款機，能夠每天24小時、每周7天提供全天候 營業(yè)；數(shù)字錄像機(DVR)使我們能夠錄制娛樂節(jié)目以供閑暇時欣賞；移動設備則為我們享受全天候的順暢通信和自娛自樂提供保障；類似的事例還有很多。“小 巧、輕便、快捷和簡單”是當今消費者的追求。作為產(chǎn)品設計人員，我們深知滿足這些需求是走向成功的必由之路。

    更高程度的“綠色”環(huán)保設計 需要綜合考慮系統(tǒng)整合、結(jié)構(gòu)、元件選擇以及功能管理等多方面技術(shù)，從而節(jié)約便攜系統(tǒng)每一微安的電流，節(jié)約電力線供電系統(tǒng)每一毫安甚至更多的電流。便攜系統(tǒng) 中，設計人員習慣以微安為單位計算電流。然而，當電路板上一個指紋大小的污漬所產(chǎn)生的漏電流超過一個芯片的待機電流時，設計人員也不得不做出讓步。

   “Little Things Mean a Lot”，這是一首流行了50年的老歌，它啟發(fā)我們?nèi)绾卧O計滿足當前市場需求的便攜產(chǎn)品。我們首先想到的“大”問題是：處于休眠狀態(tài)的微處理器、顯示器耗 電以及閃存，隨后需要考慮的是其它電路。細節(jié)決定成敗，每一部分電路的電流都要仔細考量。不同地區(qū)的要求可能不盡相同，典型的待機功率通常限定在0.5W 至3W以下，通常情況下工作效率應該高于80%。

   作為一位消費者，看到家里的電費單時可能會感到吃驚。而作為一名工程師，我們完全可以設 計電路幫助消費者降低電費。以一臺HDTV DVR接收器為例，一般情況下，接收器消耗的功率為120W，這些接收器往往沒有待機模式。如果每天工作24小時，每周工作7天，一個月的電費將達 到$34.52 (美金) (以北加州$0.399/kWh電費計算)。這僅僅是家里的一臺電器，可以想象我們能夠節(jié)省成本的空間和潛力有多大。一個普通的中產(chǎn)階層家庭，消耗電能的 電器設備可能達到35臺。值得慶幸的是，大多數(shù)電器都有待機模式，系統(tǒng)空閑時有助于降低功耗。

另請參考：電費計算器。

     不斷飆升的能源價格使消費者更加關(guān)注設備整體的使用成本。功耗是關(guān)鍵，需要注意的是：房間內(nèi)每增加1瓦功耗，空調(diào)將消耗大約2瓦的功率排放相應的熱量。對于工程師而言，堅持綠色能源規(guī)范對于我們的事業(yè)和我們賴以生存的地球都是明智的選擇。
 

工作機器基本單元

   現(xiàn)在，無論是在家里還是辦公室，都能看到工作的電動機和微處理器。發(fā)生自然災害時，我們會很快意識到我們對電力的依賴性有多大。

圖1. 生活中常見機器的共同特性

    從 機械設備、電器和娛樂設施的基本框架，我們會發(fā)現(xiàn)很多相似之處。圖1給出了常用電器的簡化原理圖。我們首先檢測某些信息，隨后做出響應。這是絕大多數(shù)工作 流程的真實寫照。例如，我們檢測房間的溫度，然后打開加熱器或空調(diào)；我們或機器檢測亮度，然后打開照明燈；草地噴灌控制器根據(jù)計時時間，按照一定的周期打 開水管。

圖2. 一臺簡單實用的機器定義是PLC的基礎，其功能通過軟件和硅片組合確定。

    我 們可以從一個最簡單的機器開始，逐漸添加各種功能。圖2所示就是一臺這樣的機器：它檢測某些參數(shù)，利用處理器按照預設的標準處理激勵，然后做出響應(是 的，可以將其當作帶有雙金屬機械開關(guān)的加熱器、空調(diào)或冰箱，我們將在這一基礎上構(gòu)建更加復雜的機器)。實際上，我們正在描述的是一個可編程邏輯控制器 (PLC)。按照圖3所示，我們提供滿足客戶需求的定制系統(tǒng)。

圖3. Maxim提供的高集成度IC組合構(gòu)成了基本的PLC單元

     為 了實現(xiàn)圖3所示系統(tǒng)的設計，我們按照所要求的速度采集傳感器輸入并做出相應的響應，啟動輸出和各部分功能。相對而言，緩慢變化的輸入、輸出可共用一個 PLC控制器。對于那些需要實時響應的應用，例如：安全保護功能，可能需要多個PLC同時進行處理，對傳感器進行實時監(jiān)測并提供及時的操作。表1列出了基 本PLC控制器包括的元件。通過切換前級運放的增益和偏置，可以對多個傳感器信號進行復用采集和信號調(diào)理。在大批量生產(chǎn)的消費類電子設備中，放大器成本必 須控制在很低水平。例如MAX9915低功耗CMOS運放，能夠提供環(huán)路控制所要求的精度，按照具體的系統(tǒng)要求對系統(tǒng)進行適當?shù)姆糯笃髋渲谩?/p>

表1. 用于基本PLC單元的典型低電流Maxim IC

放大器的配置形式有以下幾種：

1. 輸入級放大器由MAX9915運放和MAX5490/MAX5492精密匹配(匹配精度在0.025%以內(nèi))的電阻分壓器組成。這是一種比較通用的放大器配置，具有高精度增益和較好的溫度系數(shù)指標。
2. 將放大器數(shù)量增加到三個，配合MAX5426數(shù)字可編程電阻網(wǎng)絡，構(gòu)成一個差分輸入的儀表放大器。
3. 如果需要數(shù)字可編程增益放大器，并且需要的增益是：1、2、4和8，則可利用MAX5430精密分壓器和一個運放實現(xiàn)。
4. 也可利用數(shù)字分壓器，例如MAX5128，設置增益、偏置和失調(diào)。MAX5128還集成了非易失存儲器，用于配置并保存所有增益設置。上電時，芯片可以調(diào)用存儲數(shù)據(jù)—這是電平和失調(diào)校準的有效工具。

       控制環(huán)路ADC可以采用MAX1108或MAX1109。該系列器件為8位、雙通道、50ksps轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置基準。表1還列出了一個低功耗MAX6029外部電壓基準，如果需要提高轉(zhuǎn)換器精度，可以使用外部基準。

     DS80C320/DS80C323是8051兼容高速微控制器。這些高度集成的控制器包括4路8位I/O端口、2路全雙工硬件串口、定時/計數(shù)器、看門狗定時器以及暫存器RAM。由于允許更長的休眠周期，其高速架構(gòu)在相同工作條件下消耗的功率更小。

    微處理器輸出通過MAX5380/MAX5381/MAX5382轉(zhuǎn)換成模擬信號，該系列8位DAC采用2線串行接口，器件采用節(jié)省空間的5引腳SOT23封裝。DAC還集成了輸出緩沖放大器，進一步減少了元件數(shù)量并縮小了電路板空間。

從基本PLC到復雜度更高的器件

     通過細化PLC引擎，可以很容易了解增加哪些功能來滿足具體應用的需求。每個人都在強調(diào)便捷性，這意味 著需要更多的功能/專用功能。這也正是電路設計人員比較忌諱的“功能泛濫”。銷售人員希望產(chǎn)品集成更多功能，但不要增加零售價；設計人員則必須控制成本。 Maxim提供廣泛的高集成度解決方案，能夠幫助研發(fā)人員降低電流損耗、減小尺寸并降低成本，從而滿足應用需求。

    節(jié)能是我們義不容辭的責任，Maxim更是責無旁貸。公司利用其研發(fā)資源，為各種節(jié)能和高效率產(chǎn)品提供設計和支持。本文僅列舉了少數(shù)幾款Maxim器件，這幾款器件只是Maxim眾多超低電流器件中的幾個典型例子。