作者：Mercedes Casamayor and Claire Croke

尺寸和功耗是便攜式電池供電應(yīng)用中的兩個(gè)關(guān)鍵特性。否則，可以僅根據(jù)這兩個(gè)功能的缺陷從便攜式系統(tǒng)中設(shè)計(jì)出可接受的組件。每個(gè)人都希望擁有更小、更緊湊的手機(jī)、MP3 播放器、PDA 和數(shù)碼相機(jī)，電池充電或更換之間的間隔時(shí)間也會(huì)更長。對(duì)于半導(dǎo)體制造商來說，這意味著需要具有高性能的低功耗IC，并且在更小的封裝中具有相同甚至額外的功能。

在便攜式電池供電應(yīng)用中，電池壽命是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的關(guān)鍵問題。電池放電曲線因電池類型和電流消耗而異。例如，圖1顯示了鋰/氧化錳的典型放電曲線2具有三個(gè)典型電流負(fù)載的（初級(jí)）電池。他們表明，它必須提供的電流越高，電池壽命就越短。由于即使是少量電流也會(huì)縮短電池壽命，因此在非運(yùn)行時(shí)（或在運(yùn)行時(shí)盡可能）最小化系統(tǒng)組件靜態(tài)消耗的電流可以延長電池壽命。

圖1.典型放電曲線。

如今，幾乎所有銷售到電池供電設(shè)備市場的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）都提供省電模式作為標(biāo)準(zhǔn)功能。用于將ADC置于省電狀態(tài)的技術(shù)及其有效性因器件而異。

一些ADC具有專用關(guān)斷引腳，用于將器件轉(zhuǎn)換為省電模式。這種方法的缺點(diǎn)是，額外的引腳會(huì)導(dǎo)致ADC的引腳數(shù)增加，從而增加封裝尺寸。其他ADC，如AD7887，需要寫入片內(nèi)控制寄存器才能產(chǎn)生省電狀態(tài)。多通道ADC通常就是這種情況，其中內(nèi)部寄存器用于通道選擇和模式選擇。該板載寄存器還意味著一個(gè)額外的DATA IN串行接口引腳。

為了減少引腳數(shù)量，一些最近的ADC使用標(biāo)準(zhǔn)接口線來實(shí)現(xiàn)省電模式;一個(gè)例子是12位、1 MSPS AD7476A，采用微型6引腳SC-70封裝。

AD7476A的3線只讀串行接口不僅可以控制轉(zhuǎn)換過程并訪問ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，還用于建立器件的不同工作模式。通過在轉(zhuǎn)換期間控制CS（轉(zhuǎn)換開始）的狀態(tài)來選擇操作模式。這樣做的好處是，改變模式所需的信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)串行接口信號(hào)。

串行接口由 CS、SCLK 和 SDATA 線路組成。正常轉(zhuǎn)換需要7476個(gè)串行時(shí)鐘脈沖才能完成。CS信號(hào)用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和對(duì)7476個(gè)串行時(shí)鐘進(jìn)行幀處理。轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后，CS拉高的時(shí)間將決定AD8A是否進(jìn)入省電模式，或者，如果已經(jīng)處于省電模式，則決定AD16A是否恢復(fù)正常工作。通過微控制器的標(biāo)準(zhǔn) <> 或 <> 脈沖 SCLK 突發(fā)或 DSP 的任何長度的成幀信號(hào)，可以輕松更改工作模式。

圖2顯示了正常轉(zhuǎn)換期間的時(shí)序圖，圖3顯示了如何通過控制CS信號(hào)進(jìn)入關(guān)斷模式。這種工作模式旨在提供靈活的電源管理選項(xiàng)，并最大限度地降低不同應(yīng)用要求的功耗。

圖2.串行接口信號(hào)處于正常轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

圖3.使用串行接口信號(hào)進(jìn)入省電模式。

為了降低功耗并保持電池壽命，AD7476A應(yīng)在兩次轉(zhuǎn)換之間或多次突發(fā)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

AD7476A是一款12位逐次逼近型（SAR型）ADC，采用2.35 V至5.25 V電源供電，吞吐速率高達(dá)1 MSPS。AD7476A結(jié)合了CMOS技術(shù)和先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，可在高吞吐速率下實(shí)現(xiàn)低功耗。

AD7476A在周期內(nèi)的平均功耗取決于其在全功耗狀態(tài)（工作）下花費(fèi)的時(shí)間與低功耗狀態(tài)（省電）所花費(fèi)的時(shí)間間隔的百分比。掉電時(shí)間越長，平均功耗越低。

為了利用AD7476A實(shí)現(xiàn)最低功耗，應(yīng)盡快進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于轉(zhuǎn)換時(shí)間由SCLK頻率決定，因此SCLK頻率越快，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。因此，該器件可以在更短的時(shí)間間隔內(nèi)保持省電模式，并在更短的時(shí)間內(nèi)耗散最大功率。

圖4顯示了AD7476A在100 kSPS固定吞吐速率下不同SCLK頻率下的平均功耗。轉(zhuǎn)換完成后，ADC進(jìn)入省電模式，并通過虛擬轉(zhuǎn)換上電。如圖所示，時(shí)鐘頻率越快，平均功耗越低。

圖4.AD7476A不同串行時(shí)鐘頻率的功耗

圖5顯示，對(duì)于20 MHz的固定SCLK頻率，當(dāng)ADC以低吞吐速率運(yùn)行時(shí)，ADC的平均功耗非常低。但是，隨著吞吐速率的增加，平均功耗也會(huì)增加，因?yàn)榕c工作狀態(tài)相比，ADC處于省電狀態(tài)的時(shí)間更短。另一張圖顯示了在兩次轉(zhuǎn)換之間未實(shí)現(xiàn)關(guān)斷模式時(shí)ADC的平均功耗。它們共同表明，雖然在較低的吞吐速率下，通過將ADC置于兩次轉(zhuǎn)換之間的省電狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果，但隨著轉(zhuǎn)換速率的提高，節(jié)能會(huì)逐漸減少。例如，在300 kSPS時(shí)，兩種情況之間的差異小于0.5 mW。

通過標(biāo)準(zhǔn)串行接口信號(hào)實(shí)現(xiàn)的不同關(guān)斷模式的進(jìn)一步步驟是自動(dòng)關(guān)斷模式。隨著便攜式電池供電應(yīng)用的超低功耗ADC趨勢，ADI公司最近推出了AD7466，這是一款采用12引腳SOT-6封裝的微功耗、23位SAR型ADC。該器件的工作電壓范圍為 1.6 V 至 3.6 V，吞吐速率高達(dá) 200 kSPS。

圖5.AD7476A功耗比較

AD7466在轉(zhuǎn)換前上電，轉(zhuǎn)換完成后返回省電模式;這消除了虛擬轉(zhuǎn)換的需要。與AD7476A相同，AD7466的轉(zhuǎn)換時(shí)間由SCLK決定，通過提高串行時(shí)鐘速度可以縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間，從而提供相同的節(jié)能效果。

圖6顯示了AD7466在不同吞吐速率、串行時(shí)鐘頻率和電源下的功耗。省電模式下的電流消耗典型值為8 nA。AD7466采用0 V工作電壓時(shí)最大功耗為9.3 mW，0 kSPS時(shí)功耗為3.1 V時(shí)最大功耗為8.100 mW。

圖6.AD7466不同SCLK和電源電壓下的功耗與吞吐速率的關(guān)系

我們已經(jīng)證明，更快的SCLK頻率和更長的關(guān)斷模式大大降低了ADC的平均功耗。這些節(jié)能特性與節(jié)省空間的6引腳2 mm×2.1 mm SC70表貼封裝相結(jié)合，使AD7476A成為便攜式電池供電應(yīng)用的理想選擇，也是其他解決方案的非常緊湊的替代方案。對(duì)于功耗極低的3.6 V<應(yīng)用，AD7466是理想的解決方案。

審核編輯：郭婷