Battery Life'ı Low-power Adcs ile uzatmak için Stratejiler

Battery Life'ı Low-Power ADCs ile uzatmak için Stratejiler

Portre elektronik cihazlar - akıllı telefonlar ve tabletlerden, bu cihazlardaki en kritik güç tüketicilerinden biri, ancak gerçek dünya sinyalleri (kıtıl, baskı, ses, biyometrik veriler) işlem için dijital verilere uydurulmuş, düşük güç ADC'ler bu dönüşümleri en az enerji ile gerçekleştirmek için mühendislerdir, ancak en iyi ADC'nin etrafındaki dijital yazılımsal dönüştürücüyü seçmesi durumunda, akıllı bir şekilde optimize etmeyecektir.

ADCs'in Portre Sistemlerindeki Güç Etkisi

Tipik bir taşınabilir cihazda, ADC toplam aktif güç tüketiminin% 5-15'ini hesaplayabilir - gerekli olan bir batarya saati daha hızlı bir şekilde uzatabilir.Bu nedenle, batarya ömrü, sürekli sağlık izleme veya çevresel geçiş gibi bütünsel bir yaklaşım gerektirir. ADC'nin gücü çizimleri, çözüm, örnekleme oranı ve işletim modları bağlıdır.

Low-Power ADC Mimarlıklarını Anlamak

Üç büyük ADC mimarisi düşük güç taşınabilir tasarımlarına hükmedmektedir: başarı ile ilgili kayıt (SAR), sigma-delta ( ⁇ ), ve boru hattı.Her biri güç tüketimi, hız, çözünürlük ve geçncy arasında ayrı ticaret-offlar sunar.

Başarıyla-Approximation Register (SAR) ADCs

SAR ADCs düşük güç uygulamaları iş arkadaşlarıdır.Seks arama algoritması, analog girişleri N adımda dijital bir değere dönüştürmek için kullanır (N şu anda karar verilir), güç tüketimi genellikle 100 μW'nin altında, farklı hızlarda, SAR ADC'ler, harici bir bileşene ve güce daha fazla yükleyen batarya-işman cihazlar için idealdir.

Sigma-Delta ( ⁇ ) ADCs

Sigma-delta ADCs yüksek çözünürlüklü uygulamalar (24 bits) aşırılık ve gürültü şekillendirme ile öne çıkıyorlar. Temel gücü, SAR ADCs'den sürekli zamanlı işlem nedeniyle daha yüksek olsa da, birçok ⁇ ADCs yapılandırılabilir veya yüksek hızlı kanallar için uygundur.

Borud ADCs

Borud ADCs, video işleme veya radar gibi uygulamalar dışında düşük çözünürlüklü aşamalardan oluşan bir boşluk kullanıyor (örneğin, tasarımcılar hattı aşamalarını dikkatlice kullanmalıdırlar).

[FONT:0])Key Takeaway: ) En taşınabilir uygulamalar için, SAR ADCs en iyi güç performansı dengesi sunar. ancak yüksek çözünürlükte (≥18 bit) gerekli olduğunda, düşük bant genişliği ile ⁇ ADCs dikkate değer. Borulu ADCs yüksek bant genişliği senaryoları agresif güç yönetimi ile ayırt edilmelidir.

).

Battery Life'ı genişletmek için ayrıntılı stratejiler

1. Sampling Oranlarını Geliştir

Örnekleme oranı ADC güç tüketimindeki en iyi kontrol edilebilir faktördür. SAR ADCs, güç ölçekleri neredeyse doğrusal olarak örnekleme frekansı ile. Nyquist theorem, en düşük uygulanabilir örnek oranına örnek vermeniz gerektiğini belirtir.In practice, oversampling by a factors of 2-4 can ease anti-aliasing filter requirements, but aşırı aşırı atıklar gücü.

Patlamalı sensör verileri için (örneğin, hareketle tetiklenen bir hız), olay odaklı bir örnekleme düşünün. sadece bir eşiğin geçtiğinde örnek. Bu, ortalama örnek oranını bir büyüklük emriyle azaltabilir.

[FONT:0)Pro ipucu:[Dönetici:0) Bir mikrokontrolörün zamanlayıcısını ADC dönüşümlerini sadece gerektiğinde planlamak ve dönüşümler arasındaki ADC saatini devre dışı bırakmak.

2. Güç-Down Modes kullanın

Çoğu düşük güç ADC'ler birden fazla boş mod içerir: standby (fast uyanma, orta sızıntı), uyku (düşük sızıntı, yavaş uyanma), ve derin uyku (minimum sızıntı, en uzun uyanma süresi) ADC, ADC'nin iki kattan fazla gerekli olmadığı en derin uyku modundan kurtulabilir. Örneğin, 100 ms için her 10 saniye boyunca, ADC her 10 saniye boyunca zaman harcayabilir.

Uyanış zamanı düşünün: Gerekli cevabı geç kalmışsa, daha hızlı bir boşluğa ihtiyacınız olabilir. Tersine, cihaz algılayıcı sensörleri (örneğin, dakika içinde) ısıtılırsa, derin uyku ideal.

3. Implement Duty Bisikleti

Görev bisiklet ADC ve analog cephesini sadece dönüşüm süresi için güçlendirmek, sonra onları kapat. Bu teknik özellikle güç azalt modları ile birleştirildiğinde etkilidir.

Örnek: ADC dönüşüm sırasında 1 mA'yı tüketse bile, ortalama akım sadece 1 μA'nın başlangıç geçicileri için hesap verebilir -bazı ADC'ler güçten sonra bir yerleşme süresi gerektirir.

[FONT:0)En iyi uygulama: ADC referans gerilimi ve buffer yükselteçleri ADC çekirdeğinin yanında birleştirin. Birçok modern ADCs, tüm bu işlevleri özel kapanış pinleri ile bütünleştirir.

4. Appropriate ADC Architecture'ı seçin

Tarif edildiği gibi, SAR ADC genellikle en taşınabilir uygulamalar için kazanır. Ancak SAR ailesi içinde, benzer doğrulukla bir ⁇ dönüştürücüden daha az güç kullanabilirsiniz. (FOM = Power / (2.ENOB × Örnek Puanı) ile karşılaştırmak için, iyi tasarlanmış bir çözüm için, ADC benzer doğrulukla bir bağlantıdan daha az güç kullanabilir.

Seçildiğinde, giriş gerilimi aralığı da göz önünde bulundurun. A demiryolu-to-rail ADC, dış bir yükseltici olmadan 0 ila VDD'ye sinyalizasyon yoluyla sinyalizasyon aşamasından tasarruf sağlar.

5. Giriş gerilim aralıkını Minik

ADC girişi gerilimi aralığının azaltılması, gerekli referans gerilimini azaltır ve genellikle dahili şarj yeniden dağıtımını güncel olarak azaltır.Eğer sensör çıktınız 0-1V ise ADC'yi 3.3V yerine 1.2V referansını yapılandırın. programlanabilir kazanç yükselteçleri kullanın (PGA) ADC'ye gürültüyü azaltırken ADC serisine entegre edilebilir.

Ancak, sinyal-to-noise oranı (SNR) kabul edilebilir kalmasını sağlar: giriş aralığının yarısı da LSB boyutunu yarıya düşürür, sistemi daha hassas hale getirir.

6. Örnek Puan Gereksinimlerini Azaltmak için Signal şartlandırmayı kullanın

Stabil, temiz analog sinyalleri, ADC'nin yüksek frekanslı gürültüyü ortadan kaldırmak için ADC'nin yüksek frekanslı gürültüyü kaldırmasına izin verir. Benzer şekilde, ADC'ye düşük devre dışı bırakma kaynağı sunmak için bir tampon yükselteç kullanın.

Batarya destekli tasarımları için, ultra-düşük-güç-amps (örneğin, 1 μA quiescent current) sinyal Klima için. Her miliwatt burada doğrudan batarya ömrünü uzatıyor.

7. Firmaware ve Data processing'yi optimize edin

Firmaware, güç tasarrufunın sınırsız kahramanı olabilir. ADC verilerini doğrudan CPU müdahalesi olmadan RAM'a taşımak için DMA (yönetici erişim) kullanın - bu mikro kontroller işlemeden önce birkaç dönüşüm daha uzun süre boyunca CPU'yu uyandırmaya olanak sağlar.

Employ multi-channel sequencing: Eğer cihazınız birden fazla sensörler izlerse, bir patlamada tüm dönüşümleri sıralayın, o zaman her kanal için defalarca uyanmak yerine uzun bir aralık için uyur.

[FONT:0)Cache kalibrasyon değerleri: Birçok ADCs, her dönüşümü yeniden tanımlamak yerine, başlangıçta bir kez kalibre etmek ve sadece tekrar sıcaklık veya gerilim değişiklikleri önemli ölçüde. düzeltme katlarını önbellek.

8. Donanım Filtreleme ve Decimation

Donanım decimasyon filtreleri (ADC veya dış bir FPGA) yüksek frekanslı gürültü reddedilmesini sürdürürken etkili örnek oranını azaltabilir. Örneğin, bir ⁇ ADC, kullanıcıların iktidar için 10 kSPS'ye, bir çıkış hızına göre 10 kSPS'ye kadar, iç dijital filtre tüketimi gücü tüketebilir, ancak aynı işlemi mikro kontrol edici bir şekilde gerçekleştirmesinden daha verimlidir.

Sistem-Level Power Management Entegrasyon

Battery hayatı bir sistem özelliğidir, sadece bir bileşen değil. ADC güç yönetimi cihazının genel güç durumu makinesi ile bütünleştirin. Örneğin:

• [FONT:0)Aktif mod:[Dönetici:[Dönetici:0) ADC Sürekli veya yüksek sınıf örnekleme.
• [FONT:0]Idle modu:[Dönem:[Dönem: 1 ) ADC in standby, mikrosaniye içinde uyanmaya hazır.
• [FONT:0]Sleep modu: [Döntgen: [Dönetici: 0] ADC, mikrokontrollü derin-sleep, zamanlayıcı veya dış kesimle uyanır.

ADC ve analog cepheyi sadece gerektiğinde tedarik etmek için özel bir güç yönetimi IC (PMIC) kullanın. Birçok PMICs, mikrosaniye geçiş zamanlarıyla kontrol edebilecek güce sahip kilitler yapılandırılabilir.

Batarya kimyası düşünün: lityum-iyon pilleri alkali veya NiMH'den farklı deşarj özelliklerine sahiptir.En iyi kapasiteyi en üst seviyeye çıkarmak için minimum işletim gerilimi tasarlar. Low-power ADCs that run down to 1.8V let deep deşarj of a 3.7V Li-ion cell, genişleten runtime.

Pratik Vaka Çalışması: Beable Health Monitor

16 bitli SAR ADC ile 16 bit etkili bir çözümle birlikte, 1 μA uyku akımı ve 10 μA aktif bir şekilde kullanılabilir: Sistem, 10bit etkili bir kararla 250 SPS'de örnek olmalıdır (12 bitim aşırıdır).

• Aktif güç: 10 μA ×% 100 görev döngüsü = 10 μA
• Ancak, AFE ve ADC görev döngüsü olmalıdır: 100 ms için örnek, 900 ms için (% 10 görev döngüsü) → ortalama ADC akımı = 10 μA × 0.1 + 1 μA × 0.9 = 1.9 μA.
• sinyal doğrulama: ultra-düşük güç af-amps için 2 μA ortalama.
• 200 mAh batarya ile teorik runtime = 200 mAh / 4 μA = 50.000 saat ⁇ 5.7 yıl (başka bileşenleri ve kendi kendine yükleri)

Görevli bisiklet ve daha az verimli ADC ile aynı yama 50 μA'yı çizebilir, sadece 4000 saat – dramatik bir fark. Bu örnek, mimarlık seçimi, güç azaltma modları, görev bisiklet ve optimize edilmiş örneklemeden çok sayıdaki tasarrufları vurgulamaktadır.

Ek Güç -Saving Tips

• Düşük güç kapanış özelliği ile dış bir referans kullanın; iç referans genellikle ekstra akımları tüketmektedir.
• ADC saat frekansını mümkün olursa azaltın; birçok ADC, orantılı güç tasarrufları ile daha düşük saat oranlarında çalışabilir (Veri tablo limitlerini kontrol edin).
• Giriş gerilimi ölçeklendirme: sensör çıktı küçükse, tam ADC aralığına onu yükseltebilmek için bir PGA kullanın ve SNR'yi geliştirmek ve daha düşük örnekleme oranlarına izin vermek.
• Yazılımda bir hata uygulayın: çok hızlı örnekler alın ve yüksek çözünürlüklü bir örnek yerine onları ortalama olarak uygulayın. Bu, daha düşük çözünürlüklü, daha düşük güç ADC'nin kullanımına izin verebilir.
• ADC kanallarını ve analog girişleri, sızıntıya neden olan yüze girişleri önlemek için kullanamayacaktır.
• ADC dönüşümlerini planlarken yüksek frekanslı osilatör tüketiminden kaçınmak için zaman zaman çizelgesi için bir saat kristali kullanın.768 kHz).
• Üretilen cihazlar için enerji hasat etmeyi düşünün; ultra-low-power ADCs (< 1 μW) küçük güneş hücrelerinden veya termoelektrik jeneratörlerinden kalıcı bir operasyon sağlar.

Future Trends: ADC Power Reduce at the Edge

ADC tasarımları güç sınırlarını daha da ileri sürüyor.Ücretsiz ADCs) sadece sinyal değişikliklerini takiben, düşük frekanslarda nanowattlara ulaşmak (ML)-enhanced ADCs) Örnekleme oranını azaltmak için tahminler kullanıyor: bir cihaz sadece sinyal değişiklikleri yaparken, enerji tasarrufu sağlar.

[FONT:0]Daha fazla okuma için, önde gelen ADC üreticilerinden gelen başvuru notları [FONTT:2)Texas Instruments'ın düşük güç ADC rehberi[Dönetici:0|Dört|Döneticiler için] )[FLT: 16][FLT: 16|Döneticileri için] [FLT: 9][FLT|D|Döneticileri için] [Döneticileri için] [Döneticileri için) [Dönergeler için)