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集成高分辨率ADC的低功耗太阳能衡器SoC方案 作者： 刘小灵 设计部总监 深圳市芯海科技有限公司 Email：lxling@ kw：CSU1110, 人体秤, 低功耗, 高精度 一节一号电池烂在地里能使1平方米的土壤永久失去利用价值，一粒纽扣电池可使600吨水受到污染，相当于一个人一生的饮水量。电池对人类生存环境的威胁已经成为社会的共识，通过降低功耗来减少电池使用量成为了很多电子产品企业的选择。随着太阳能电池技术进步和低功耗半导体设计技术的发展，太阳能电池替代传统电池的应用逐渐出现。本文将介绍基于低功耗CSU11系列衡器SoC芯片的太阳能秤设计方案。 低功耗太阳能衡器解决方案 作为针对使用传统电池供电的衡器产品而言，通常受体积和成本限制，太阳能电池板的面积必然有限，从而限制了太阳能电池板的供电电量。此外，太阳能电池板发电量低(室内uA级)，并存在随着光线强度的差异电流不稳定的问题。因此，使用太阳能电池板供电的衡器解决方案需要解决以下问题：增加储能电路，让太阳能电池板发出的电量储存起来(在200流明下，一般只能提供几十uA电流）；降低功耗，整机关机和工作电流分别均需在nA、uA级。 电子衡器耗电量大的主要是传感器、ADC、MCU三大块。为此，通常的解决方案需要采用以下方法来实现整体低功耗特性： 对传感器采用间歇供电或脉冲供电来降低传感器用电功耗； 采用高阻应变传感器； 提高ADC输出速率，减少每次采样时间从而降低采样功耗； 提高ADC有效位，以在高速下保证衡器精度； 提高SoC运行速度以降低每MHz的功耗； 降低LCD驱动电路功耗； 提高集成度，减少外围器件。 芯海科技推出的高精度24位ADC芯片CS1242填补了国内中高端电子衡器芯片领域的空白。在满足高精度需求的同时，该公司针对当前低功耗应用的发展趋势，推出了具有极佳低功耗特性的CSU11系列衡器SoC芯片，最大的优势是同时满足了自动上秤人体秤、太阳能人体秤对低功耗的要求，以及口袋秤对高精度的要求。该系列产品综合考虑了上述低功耗设计因素，实现了极佳的低功耗特性，利用CSU11系列SoC设计的自动上秤人体秤，平均待机功耗可以低至3uA以下，太阳能人体秤称重电流20uA以下，口袋秤分度可以达到三万分之一。 图1：CSU11系列内部CPU核功能框图。 CSU11系列SoC集成了8位RISC MCU，4K*16 OTP(可作为用户数据PROM)、256 RAM、4*18 LCD，以及16个I/O口(除了这16个I/O口外，所有的“Seg”口均可复用为输出，令IO总数最多达到26个)，双通道高速、高精度ADC，最高数据输出速率为16kHZ(精度为12位，增益为32)，最高精度达到18位(增益为128，速率为32HZ)。为了能够在一个芯片上同时满足低功耗和高精度的要求，CSU11系列SoC还提供了“功耗-精度-速度”相互平衡的选项，即用户可以通过配置较低的ADC工作电流来实现低功耗，但此种情况下线性度较差，只能够用于5000点以下的秤，也可以配置较大的工作电流来实现30,000分度的精度和线性度，为方案工程师进行多种类型的方案开发提供便利，只需要在配置上稍作改动，就可以满足不同的市场需求。 太阳能人体秤的出现，主要是为了避免普通电池对环境的危害，达到环保的目的。但是，目前市面上的太阳能人体秤需要昂贵的传感器和PS08主芯片。造价成本极大的限制了太阳能人体秤的市场占有率。CSU11系列提供了专门为太阳能人体秤而设计的特性，设计时使用1KHz的AD输出速率，使用第四笔AD采样值。每秒钟称重一次，则所需的动态功耗为4次*2.5mA*(1/1000秒)=10uA，LCD显示所需的功耗为5uA(驱动电路工作电流)+5uA(玻璃消耗)=20uA。 某国内大型衡器企业已经成功利用CSU1101B芯片开发了太阳能电子秤产品，并实现了批量生产，已经成功实现对欧美市场批量出口。该产品的平均工作电流小于等于25微安，在55流明光照强度下就可以起秤，完全可以适用于包括浴室在内的各种室内环境。其精度达到2000分度，具有自动开机功能，关机平均电流低于3微安。 图2：基于CSU1101B成功实现批量生产的太阳能衡器产品。 提高系统性能的设计建议 目前，太阳能电子秤定位高端市场，并以出口欧美地区为主，为提高整机性能以及应对欧美地区严格的电磁兼容测试等相关标准，对基于CSU11系列SoC的产品设计给出如下建议，此类设计实践对基于芯海科技的其他SoC以及一般的电子产品设计均有现实的指导意义： 提高产品抗ESD性能 对产品ESD性能最为重要的是产品外壳设计，必须尽可能地保证静电能量不引入到产品的PCB中。但是，按钮和电池仓有时在外壳设计中无法避免会被ESD事件所影响。所以，提升电路的ESD性能关键是要把按钮及电