智能二线制设备中的低功耗设计
2011/4/7 13:31:00
符合工业标准的4～20mA电流信号用于非智能型设备的控制已有数十年的历史。由于微控制器（MCU）技术的飞速发展，出现了符合4～20mA工业标准、不使用额外电源供电的智能型设备，被称作智能型二级制设备。
所谓二线制，是指整个设备与外界之间只有两根导线相关联，电源和信号线共用这两根导线，设备的供电完全从控制信号中取出。这种智能二线制设备除了布线简单的优点外，更主要的是它易于达到"本质安全"的防火防爆要求，在石油、化工等工控领域有广泛的应用前景。由于此类设备应能在低于4mA的电流下正常可靠地工作，就对系统的低功耗设计提出了严格的要求，给系统设计增加了一定难度。
控制电路的构成
智能二线制电-气阀门定位器有两路输入信号：一路是4～20mA的电流信号，表示阀门的开度（0～100%）；另一路是由旋转电位器给出的阀门实际开度反馈信号。当二者不一致时，经MCU进行误差运算给出两路控制信号，打开或关闭相关的进气或排气控制阀，实现对气动阀门的自动调节功能。
由压电陶瓷片组成的控制阀的驱动需要24V的高压，记录控制参数需要EEPROM，要有LCD（液晶显示器）和按键来提供人机接口，信号采集需要两路12位A/D变换，单片机作为系统控制的核心。所有这些器件及其外围电路的总体供电电流应小于4mA。
电-气阀门定位器的输入只是一个4～20mA的电流信号，因此我们首先精心设计了电源变换器部分，把输入的电流变换成3.3V和24V两组电压，供微控制器和其他外围器件使用。这部分电路相当于一个简单的开关电源，其基本思想是先将输入电流转化为一个较低的电压，再通过振荡器产生振荡，最后通过整流、滤波以及线性稳压得到所需的电压值，从而起到一个直流变压（DC/DC变换）的作用。在实现时，需要自己绕制变压器。
低功耗设计
对于二线制系统，尽量低的功耗是系统设计中所追求的目标，也是设计的主要任务之一。系统所允许的最大功耗可以这样估算：若允许输入电流有10%的波动，信号线上的最小电流实际上只有3.6mA。假定在输入端能取出10V电压，则整个系统的功耗不应大于36mW。如此低的功耗，要供给MCU、ADC、LCD、EEPROM运放等外围器件，以及产生高电压驱动压电陶瓷阀，就要求在器件选择上和系统设计上多下功夫。在系统实现上，采取了多种措施来降低功耗。
·在电路设计上，尽量减少功率消耗，提高各部分的供电效率。
·在电路的实现上，选用低功耗或微功耗器件。在电路中使用的12位串行模数转换器LTC1594L、运放LT1178、线性稳压器LT1521、EEPROM93LC46A等，均为低功耗或微功耗器件。
·降低器件的工作电压。MCU及其外围器件的工作电压降低到3.3V。
·降低MCU的工作频率。微控制器的总线频率降低到1.0MHz。
·充分利用器件的省电方式或空闲方式。很多器件都具有这样的工作方式，很多器件都具有这样的工作方式，如Motorola MC68HC05L16在WAIT方式下功耗降低60^，LTC1594L在空新生方式下的静态电流可降低为1nA。在设计系统软件时进行必要的处理，不用器件时令其进入省电方式或空闲方式，就可以大大降低系统的平均功耗。
下面简单介绍一下电路中使用的低功耗或微功耗器件，它们主要是Motorola公司、Linear Technology公司和Microchip公司的产品。
（1）微控制器-MC68HC05L16
Motorola公司的MC68HC05L16 8位微控制器，为80引脚QFP封装。它的工作电压可低至2.2V，具有16K字节ROM和512字节片上RAM、39条并口线、中断输入端、定时器、简单串行外设接口SSPI等。并且具有低功耗的WAIT和STOP工作方式。
MC68HC05L16是为带有LCD的应用而设计的，主要用来驱动段式LCD，驱动方式为动态扫描。它可支持多达4个背极和39个前极，总段数156段。
为降低功耗，在MCU的功耗和速度之间取了某种折衷。我们把MCU的总线频率降低到1MHz，同时把它的工作电压降低到3.3V。这样，MCU在正常状态下的供电电流典型值1.8mA，WAIT节电方式下供电电流典型值0.8mA。
（2）微功耗串行ADC-TC1594L
LTC1594L 是Linear Techonlogy公司的四通道12位微功耗串行ADC。其转换方式为开关电容、逐次浙进式转换，带有采样保持。LTC1594L工作电压可低至2.7V，在转换状态时供电电流典型值0.16mA，空闲状态时仅1nA。在使用时需外加参考电压源。
LTC1594L的串行接口线可与支持QSPI、SPI、MICROWIRE等标准的多种微控制器或微处理器进行有效地通信。另外，LTC1594模拟输入端的高输入阻抗允许在许多应用中直接连接传感器，而不需要加额外的隔离级。
（3）低压差性性稳压器-LT1521
LT1521-3.3是Linear Technology公司的一种低压差、微功耗线性稳压器。它可以在稳压压差0.5V时提供300mA的输出电流。它的工作状态电流12μA，备用状态下6μA，并且耗电电流不会随着压差的增大而改变，因此在许多电流供电和低功耗系统中得到应用。为保持稳定，输出端只需要1.5μF的电容。
此外，LT1521的另一个特点就是当输入端电压低于输出时，也不会有大的反向电流流时。这就使得它可以用于后备电源场合，这时它的输出通常被拉高，而输入端相对电压较低或者反向，在这种情况下，只有大约5μA电流从输出端流向大地。
（4）微功耗双运放－－LT1178
LT1178是Linear Techonolgy公司产品。它在微功耗的同时保持了较高的精度，在5V室温时消耗电流典型值17μA，失调电压30μV，失调电流50pA。LT1178可以在低至2V的单电源下工作。
（5）微功耗2.5V基准源-LT1004-2.5
LT1004-2.5是Linear Technology公司产品，它的特点是微功耗、高精度、易于使用。通常状况下能保证在低达10μA的电流下正常工作，初始精度±20mV，温度系数20ppm/℃。LT1004可以直接替换LM285系列，同时提供更高的精度和更低的功耗。
（6）1K位串行EEPROM－－93LC46A
EEPROM选用了Microchip公司的93LC46A，属于低功耗产品。由于各厂商推出的93LC46产在功耗、电源电压、写入时间、自动擦除等方面性能都不尽相同，所以互相之间一般不应轻易代换。对于Microchip的93LC46A，其结构形式为128×8位，工作电压可低至2.5V，在3V、1MHz下读出电流最大500μA，写入电流1.5mA，单字节写入时间最大6ms。
结语
在一般情况下，通过恒流源向系统提供电流，并可逐渐减小，直至1.8mA时系统仍然正常工作。这表明此系统不但达到了二线制供电的基本要求，而且还留有一定的裕度。在对电源电路进行必要的改进后，相信系统还可以在更低的电流下工作。也就是说，完全可以在此基础上扩充系统功能，比如将来的HART总线或FF总线接口，并且使速度更快、功能更强的MCU的引入成为可能。
所谓二线制，是指整个设备与外界之间只有两根导线相关联，电源和信号线共用这两根导线，设备的供电完全从控制信号中取出。这种智能二线制设备除了布线简单的优点外，更主要的是它易于达到"本质安全"的防火防爆要求，在石油、化工等工控领域有广泛的应用前景。由于此类设备应能在低于4mA的电流下正常可靠地工作，就对系统的低功耗设计提出了严格的要求，给系统设计增加了一定难度。
控制电路的构成
智能二线制电-气阀门定位器有两路输入信号：一路是4～20mA的电流信号，表示阀门的开度（0～100%）；另一路是由旋转电位器给出的阀门实际开度反馈信号。当二者不一致时，经MCU进行误差运算给出两路控制信号，打开或关闭相关的进气或排气控制阀，实现对气动阀门的自动调节功能。
由压电陶瓷片组成的控制阀的驱动需要24V的高压，记录控制参数需要EEPROM，要有LCD（液晶显示器）和按键来提供人机接口，信号采集需要两路12位A/D变换，单片机作为系统控制的核心。所有这些器件及其外围电路的总体供电电流应小于4mA。
电-气阀门定位器的输入只是一个4～20mA的电流信号，因此我们首先精心设计了电源变换器部分，把输入的电流变换成3.3V和24V两组电压，供微控制器和其他外围器件使用。这部分电路相当于一个简单的开关电源，其基本思想是先将输入电流转化为一个较低的电压，再通过振荡器产生振荡，最后通过整流、滤波以及线性稳压得到所需的电压值，从而起到一个直流变压（DC/DC变换）的作用。在实现时，需要自己绕制变压器。
低功耗设计
对于二线制系统，尽量低的功耗是系统设计中所追求的目标，也是设计的主要任务之一。系统所允许的最大功耗可以这样估算：若允许输入电流有10%的波动，信号线上的最小电流实际上只有3.6mA。假定在输入端能取出10V电压，则整个系统的功耗不应大于36mW。如此低的功耗，要供给MCU、ADC、LCD、EEPROM运放等外围器件，以及产生高电压驱动压电陶瓷阀，就要求在器件选择上和系统设计上多下功夫。在系统实现上，采取了多种措施来降低功耗。
·在电路设计上，尽量减少功率消耗，提高各部分的供电效率。
·在电路的实现上，选用低功耗或微功耗器件。在电路中使用的12位串行模数转换器LTC1594L、运放LT1178、线性稳压器LT1521、EEPROM93LC46A等，均为低功耗或微功耗器件。
·降低器件的工作电压。MCU及其外围器件的工作电压降低到3.3V。
·降低MCU的工作频率。微控制器的总线频率降低到1.0MHz。
·充分利用器件的省电方式或空闲方式。很多器件都具有这样的工作方式，很多器件都具有这样的工作方式，如Motorola MC68HC05L16在WAIT方式下功耗降低60^，LTC1594L在空新生方式下的静态电流可降低为1nA。在设计系统软件时进行必要的处理，不用器件时令其进入省电方式或空闲方式，就可以大大降低系统的平均功耗。
下面简单介绍一下电路中使用的低功耗或微功耗器件，它们主要是Motorola公司、Linear Technology公司和Microchip公司的产品。
（1）微控制器-MC68HC05L16
Motorola公司的MC68HC05L16 8位微控制器，为80引脚QFP封装。它的工作电压可低至2.2V，具有16K字节ROM和512字节片上RAM、39条并口线、中断输入端、定时器、简单串行外设接口SSPI等。并且具有低功耗的WAIT和STOP工作方式。
MC68HC05L16是为带有LCD的应用而设计的，主要用来驱动段式LCD，驱动方式为动态扫描。它可支持多达4个背极和39个前极，总段数156段。
为降低功耗，在MCU的功耗和速度之间取了某种折衷。我们把MCU的总线频率降低到1MHz，同时把它的工作电压降低到3.3V。这样，MCU在正常状态下的供电电流典型值1.8mA，WAIT节电方式下供电电流典型值0.8mA。
（2）微功耗串行ADC-TC1594L
LTC1594L 是Linear Techonlogy公司的四通道12位微功耗串行ADC。其转换方式为开关电容、逐次浙进式转换，带有采样保持。LTC1594L工作电压可低至2.7V，在转换状态时供电电流典型值0.16mA，空闲状态时仅1nA。在使用时需外加参考电压源。
LTC1594L的串行接口线可与支持QSPI、SPI、MICROWIRE等标准的多种微控制器或微处理器进行有效地通信。另外，LTC1594模拟输入端的高输入阻抗允许在许多应用中直接连接传感器，而不需要加额外的隔离级。
（3）低压差性性稳压器-LT1521
LT1521-3.3是Linear Technology公司的一种低压差、微功耗线性稳压器。它可以在稳压压差0.5V时提供300mA的输出电流。它的工作状态电流12μA，备用状态下6μA，并且耗电电流不会随着压差的增大而改变，因此在许多电流供电和低功耗系统中得到应用。为保持稳定，输出端只需要1.5μF的电容。
此外，LT1521的另一个特点就是当输入端电压低于输出时，也不会有大的反向电流流时。这就使得它可以用于后备电源场合，这时它的输出通常被拉高，而输入端相对电压较低或者反向，在这种情况下，只有大约5μA电流从输出端流向大地。
（4）微功耗双运放－－LT1178
LT1178是Linear Techonolgy公司产品。它在微功耗的同时保持了较高的精度，在5V室温时消耗电流典型值17μA，失调电压30μV，失调电流50pA。LT1178可以在低至2V的单电源下工作。
（5）微功耗2.5V基准源-LT1004-2.5
LT1004-2.5是Linear Technology公司产品，它的特点是微功耗、高精度、易于使用。通常状况下能保证在低达10μA的电流下正常工作，初始精度±20mV，温度系数20ppm/℃。LT1004可以直接替换LM285系列，同时提供更高的精度和更低的功耗。
（6）1K位串行EEPROM－－93LC46A
EEPROM选用了Microchip公司的93LC46A，属于低功耗产品。由于各厂商推出的93LC46产在功耗、电源电压、写入时间、自动擦除等方面性能都不尽相同，所以互相之间一般不应轻易代换。对于Microchip的93LC46A，其结构形式为128×8位，工作电压可低至2.5V，在3V、1MHz下读出电流最大500μA，写入电流1.5mA，单字节写入时间最大6ms。
结语
在一般情况下，通过恒流源向系统提供电流，并可逐渐减小，直至1.8mA时系统仍然正常工作。这表明此系统不但达到了二线制供电的基本要求，而且还留有一定的裕度。在对电源电路进行必要的改进后，相信系统还可以在更低的电流下工作。也就是说，完全可以在此基础上扩充系统功能，比如将来的HART总线或FF总线接口，并且使速度更快、功能更强的MCU的引入成为可能。
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