借助集成模數(shù)器實(shí)現(xiàn)更低功耗的12種方法

在降低設(shè)計(jì)功耗的過(guò)程中，您是否充分利用了微控制器(MCU)中集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的所有功能?這篇博文將帶您了解如何借助集成模數(shù)器實(shí)現(xiàn)更低的功耗。

本文，我們將以MSP432P401R MCU中的ADC14(集成14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器)作為示例。低功耗應(yīng)用，以及減少高占空比應(yīng)用中的啟動(dòng)時(shí)間都是ADC14設(shè)計(jì)過(guò)程中的考量要素。然而，各個(gè)應(yīng)用都有獨(dú)特的特點(diǎn)，因此，為最大限度地降低功耗，必須謹(jǐn)慎選擇ADC14的旋鈕或可編程性。

這篇博文重點(diǎn)講述MSP432™ MCU的一些關(guān)鍵特性，您可以通過(guò)這些特性自定義ADC14的功率和性能：

可選參考

快速啟動(dòng)

可選時(shí)鐘源

電源模式

最低電壓1.62V

使用集成DC / DC驅(qū)動(dòng)核心電壓

自動(dòng)關(guān)機(jī)

內(nèi)部溫度傳感器，ADC采樣時(shí)間減少

8、10、12或14位可選，選擇最低位數(shù)可提高轉(zhuǎn)換速度，節(jié)省電池電量

窗口比較器發(fā)現(xiàn)相關(guān)信號(hào)之前，不必進(jìn)行實(shí)際處理，甚至不必使用8位模式

DMA 的模塊過(guò)程

使用定時(shí)器來(lái)觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換

可選參考

可選參考允許用戶選擇適合其性能的最小電流。如果電源穩(wěn)定，可將電源作為超低功耗參考。使用電源作為基準(zhǔn)，意味著內(nèi)部參考無(wú)需電流，而且參考沒(méi)有啟動(dòng)時(shí)間。

快速啟動(dòng)

ADC14啟動(dòng)快速，可進(jìn)一步改進(jìn)高占空比應(yīng)用的低功耗。ADC和時(shí)鐘(MODOSC或SYSOSC)的啟動(dòng)時(shí)間很短。此外，在其緩沖器啟動(dòng)前(參見(jiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)表了解具體數(shù)值)，作為低功耗的內(nèi)部參考首先啟動(dòng)。由于不需要充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的外部電容器，因此緩沖器可快速建立。這樣，僅在使用的時(shí)候才需要打開緩沖器，而且外部電容器充電也需花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間。

可選時(shí)鐘源

考慮時(shí)鐘選擇時(shí)，需要考慮系統(tǒng)級(jí)功率預(yù)算。在某些情況下，轉(zhuǎn)換更快的時(shí)鐘可節(jié)約能量。工作周期應(yīng)用可從具有快速啟動(dòng)時(shí)間的MODCLK受益。用戶必須考慮增加不同時(shí)鐘源的電流可將ADC的啟動(dòng)時(shí)間降至最低，并可節(jié)省凈功率。

電源模式

電源模式(ADC14PWRMD位)按照最大采樣率調(diào)整電流消耗，主要是通過(guò)在選擇內(nèi)部參考時(shí)調(diào)整所用的緩沖器。與SYCOSC情況一樣，如果您在ADC14中使用較慢的時(shí)鐘，可以考慮將低功耗模式(ADC14PWRMD = 2)作為時(shí)鐘源(參見(jiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)表了解具體的時(shí)鐘要求)。

當(dāng)使用外部參考時(shí)，ADC14PWRMD設(shè)置之間的每次轉(zhuǎn)換的能量差壓與未使用參考緩沖器時(shí)一樣小。這種情況下，較慢的時(shí)鐘降低ADC的電流消耗，但需要更長(zhǎng)時(shí)間才能完成。

使用內(nèi)部參考時(shí)，最低能耗模式取決于您的應(yīng)用。應(yīng)基于每個(gè)應(yīng)用考慮以下因素，包括：ADC無(wú)源時(shí)啟用低功耗模式的節(jié)能、采樣時(shí)間、轉(zhuǎn)換次數(shù)、時(shí)鐘或其它地方使用的參考、時(shí)鐘頻率、轉(zhuǎn)換次數(shù)等。對(duì)于采樣時(shí)間長(zhǎng)的應(yīng)用，ADC采樣時(shí)間電流小于轉(zhuǎn)換電流，因此您看到的數(shù)據(jù)比數(shù)據(jù)表中的數(shù)值小。您可能需要做一些臺(tái)架測(cè)試，以了解您的應(yīng)用的ADC電流消耗。

使用具有最小采樣時(shí)間的內(nèi)部參考，并考慮MODOSC / SYSOSC的能量，單一ADC轉(zhuǎn)換的低功率模式能耗最低。但是，憑借連續(xù)五次或更多的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度開始占據(jù)主導(dǎo)，而帶更快時(shí)鐘的常規(guī)電源模式能耗最低。圖1對(duì)比了12位模式中兩個(gè)不同轉(zhuǎn)換次數(shù)的電源模式的能耗。

圖1 帶內(nèi)部參考的ADC

為了幫助您優(yōu)化系統(tǒng)，圖2中顯示了常規(guī)和低功耗模式中帶內(nèi)部參考的ADC14的兩種示例的電流分布。

圖2 帶內(nèi)部參考庫(kù)的ADC

全速運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)ADC14PWRMD = 2(200ksps最大值)或最小電源電壓為1.8 V時(shí)，ADC14支持最佳的1.62伏最小電源電壓。對(duì)于電池操作，如果可以使用低功率模式，可延長(zhǎng)電池壽命并且仍然充分采樣信號(hào)。對(duì)于穩(wěn)壓電源，使用低電壓降壓轉(zhuǎn)換器可極大地提高所有電流源的效率，并降低從電源中牽引的電流。

能夠使用集成DC / DC驅(qū)動(dòng)核心電壓

MSP432微控制器提供了一個(gè)集成DC / DC轉(zhuǎn)換器，可提高包括ADC14數(shù)字邏輯的核心電源效率。對(duì)于ADC14電流的數(shù)字段，DC / DC轉(zhuǎn)換器減少電流消耗。對(duì)于差分輸入，當(dāng)使用DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，性能差異可忽略不計(jì)。對(duì)于單端輸入方式，這對(duì)70分貝對(duì)73分貝典型SINAD(信噪比和失真比)具有較小影響。如欲了解詳情，敬請(qǐng)參閱設(shè)備數(shù)據(jù)表，確保ADC14與DC / DC轉(zhuǎn)換器適用于您的應(yīng)用。

自動(dòng)關(guān)機(jī)

ADC14具備自動(dòng)關(guān)機(jī)功能，用戶無(wú)需任何操作，即可降低功耗。當(dāng)ADC14停止轉(zhuǎn)換操作時(shí)，處理器將自動(dòng)禁用，并在需要時(shí)自動(dòng)重新啟用。時(shí)鐘源、MODOSC或SYSOSC也可自動(dòng)啟用，在需要時(shí)為ADC14自動(dòng)提供MODCLK或SYSCLK;ADC14或裝置的其余部分不需要時(shí)，也可對(duì)其禁用。ADC14 MODOSC / SYS OSC與內(nèi)部參考一起啟動(dòng)，因此時(shí)鐘自動(dòng)關(guān)閉不會(huì)造成影響。

通過(guò)設(shè)置ADC14REFBURST位，并將REFON位設(shè)置為0，內(nèi)部參考在樣品或轉(zhuǎn)換相之間不會(huì)自動(dòng)斷電。

內(nèi)部溫度傳感器

內(nèi)部溫度傳感器設(shè)計(jì)的采樣時(shí)間要求比之前的MSP設(shè)備更短，以減少用于測(cè)量溫度的能耗。

最后四種防范在本系列第二和第三篇博文中有更詳細(xì)的介紹：

選擇所需的最小位數(shù)提高完成速度，節(jié)省能源。

使用窗口比較器，在您完成匹配、提高分辨率前，不必實(shí)際處理比較轉(zhuǎn)換值，甚至不用使用8位模式。

使用DMA的模塊過(guò)程來(lái)減少資源的使用

使用定時(shí)器來(lái)觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，以盡量減少所用資源

您可使用上述幾種功能在您的應(yīng)用中降低MSP432 MCU的ADC功耗?