10.7 Разработка малопотребляющих цифровых схем



==753

Небольшие батарейные схемы любого назначения должны довольствоваться очень малым током, в идеальном случае на уровне микроампера. Поясним требования. Батарея «9V» с ёмкостью 500 mAh под током 1 mA проработает 20 дней, а литиевая «таблетка» CR2032 имеет 200 mAh при +3V .



==754

Промышленность выпускает массу малопотребляющих микросхем - и линейных ( ОУ, опорные источники, генераторы и т.д. ), и цифровые ( стандартная и программируемая логика, АЦП/ЦАПы, микроконтроллеры и т.д. ). Именно с подбора компонентов надо начинать разработку.

Но, если не соблюдать аккуратность, можно легко загубить параметры потребления таких схем. В предыдущей редакции книги ⁸⁴ имелась целая часть ( Часть_14 ), посвящённая разработке малопотребляющих устройств. Там было много сведений о батареях и прочих источниках питания, а также о приёмах разработки линейных и цифровых устройств. Это хороший источник. Но в данной редакции недостаток места вынуждает ограничиться кратким изложением этих важных сведений, причём только вопросами проектирования цифровых схем.

10.7.1 Приёмы помогающие сохранить малое потребление КМОП логики

Существуют рутинные приёмы, которые необходимо использовать, чтобы удержать потребление КМОП схем на низком уровне. Кроме того, полезно будет ознакомиться с родовыми патологиями КМОП схем ( §10.8 ), чтобы не совершать очевидных ошибок.

10.7.1.A Стандартные приёмы проектирования

Удерживайте зону действия высокочастотных сигналов на минимально необходимом уровне

КМОП схемы не имеют статического тока потребления ( кроме токов утечки ), но у них есть ток перезарядки внутренних ( и внешних ) емкостей при переключении. Энергия, накопленная в конденсаторе равна (1/2)CV² . Столько же энергии рассеет цепь резистивной зарядки [* а иной эта цепь быть не может, т.к. речь идёт о \(R_{ON}\) выходного транзистора ] . Рассеиваемая мощность для частоты переключения \(f\) равна: \[ P = V^2fC , \]

Получается, что КМОП схемы рассеивают мощность пропорционально частоте переключения ( см. рис. 10.27 ). На максимальной рабочей частоте они могут рассеивать даже больше, чем биполярная логика. Действующая ёмкость \(C\) часто указывается в справочных данных в виде «ёмкости рассеивающей мощность» \(C_{PD}\) , которую необходимо добавлять к ёмкости нагрузки \(C_L\) перед подстановкой в формулу.

Соблюдайте осторожность при использовании нескольких уровней питания

В противном случае легко получить ток, текущий через защитные диоды. Можно даже перевести кристалл в режим «тиристорного защёлкивания» ( см. §10.8.3.B ).

Убедитесь, что логические сигналы совпадают с напряжениями питания

КМОП выходы переключаются между уровнями питания, а выходы других семейств - биполярных ТТЛ и n-МОП могут занимать промежуточное положение, вызывая в КМОП логике токи «класса-A» и уменьшая помехоустойчивость ( см. рис. 3.93 ).

Не оставляйте висящих входов

Висящие в воздухе входы - первый враг микропотребления, т.к. ведут к появлению токов «класса-A» ( и даже генерации ), т.к. входные линии смещаются к пороговому уровню ( рис. 10.101 ). Подключайте неиспользуемые входы к пассивному ( с точки зрения логики работы ) уровню.

Подключайте нагрузку так, чтобы минимизировать потребление в нормальном состоянии

Подтяжки к питанию или земле, светодиоды и выходные схемы должны проектироваться так, чтобы потребление в наиболее часто используемом состоянии было минимальным.

Избегайте медленно меняющихся сигналов

Вновь токи «класса-A». Синусоидальный сигнал на входе КМОП триггера Шмитта может потянуть за собой чрезмерный ток потребления.

Ставьте токочувствительные резисторы на выводы питания

При некоторых видах повреждений, например, в результате воздействия статических разрядов КМОП микросхемы могут начать потреблять избыточный ток. Резистор 10 Ω на входе каждой платы [* а лучше каждой ИМС ] ( рис. 10.93 ) позволит обнаружить неисправность, а прибор для поиска коротких замыканий ( §4.8.2 ) отыскать конкретного виновника.

Рис. 10.93   Токовый «индикатор» упрощает обнаружение сегментов схемы, содержащих слишком прожорливые ИМС

Отбор по току покоя

Обычные микросхемы КМОП логики ( любой серии: «4000B», «HC», «LVC», «LCX», «AUC» и т.д. ) имеют специфицированный максимум для тока покоя \(I_Q\) =5...20μA , хотя на самом деле цифра ближе к типичному значению 0.04 μA ( если такая цифра вообще есть ). Производители обычно указывают консервативные значения для максимального тока утечки. Возможно, это происходит из-за их нежелания проверять реальные цифры. Встретить ток покоя рядом с верхней границей можно нечасто, но это вполне вероятное событие. Если схема работает на низкой частоте ( т.е. с низким динамическим током ) и хочется иметь столь же низкий ток покоя, то, возможно, придётся организовывать входной контроль. Резистор на выводе питания сильно облегчит задачу. Имейте в виду, что опыт общения с КМОП БИС ( например, с памятью ) показывает, что их ток покоя чаще оказывается неподалёку от максимальных значений.



==755

Выключайте питание при отсутствии активности

Можно сэкономить массу энергии, если не держать включённым прибор, которым никто не пользуется. В Части _7 ( §7.2.4.A ) приводилась простая схема на дискретной логике, выключающая питание через один час после включения прибора. Можно поступить ещё лучше, задействовав таймер микроконтроллера ( Часть 15 ) в самом приборе ( или организовав программную задержку ) для управления питанием. Для батарейных устройств надо выбирать малопотребляющие контроллеры либо организовывать работу так, чтобы большую часть времени процессор проводил в режиме сохранения энергии.



==755