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基于MAX31341B的可穿戴设备电池电源管理电路设计
发布时间:2020-02-13
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基于MAX31341B的可穿戴设备电池电源管理电路设计
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对用户而言,可穿戴设备和其他个人电子设备的电池续航时间是一项关键的购买决策因素。为了最大限度延长电池续航时间,开发人员通常会设法延长设备的空闲时间,将微控制器和其他耗电元件置于低功耗休眠状态,直到需要用户交互为止。然而,即使在最低功耗的休眠状态下,系统也需要精确的实时时钟 (RTC) 来维持挂钟时间并管理计划的事件。

虽然开发人员有多种选择来支持休眠状态下的精确计时,但这些选择很少能够同时满足降低功耗且缩小设计尺寸的新兴需求。

本文向开发人员介绍,如何将 Maxim Integrated 的高能效 RTC 芯片与超低功耗微控制器结合在一起使用,以延长可穿戴设备、物联网 (IoT) 设备以及其他尺寸和功耗受限产品的电池续航时间。

基本计时

在大多数需要根据实际时钟和日历与用户或其他系统进行交互的设计中,RTC 提供了基本功能。RTC 的核心就是晶体振荡器电路与一系列寄存器组合,这些寄存器保存着从倒计时链累计的日期和时间数据(图 1)。

图 1:在基本的 RTC 计时电路中,晶体振荡器驱动一个倒计时链,以更新保存日期和时间值的寄存器。(图片来源:Maxim Integrated)

从该基本设计出发,RTC 器件已经发展成为具备一系列特性的器件,旨在满足各种应用的计时精度和功能需求。如今,开发人员可以找到支持不同的工作电压、内部存储器容量以及广泛特性集(远不止于挂钟时间和日期)的 RTC 器件。

不过,在越来越多的应用中,计时能力并不是 RTC 器件选择的唯一决定性因素。随着设计人员对尺寸更小的电池供电型产品(例如可穿戴设备)的需求增多,计时对整体系统功耗的影响已获得越来越多的关注。系统即使在最低功耗的休眠状态下也需要维持挂钟时间,因此设计人员意识到,计时电流优化已成为这些产品的关键要求。与此同时,任何有用的计时解决方案都需要满足严格的约束条件,以便简化设计并减少占用空间。

微控制器 RTC 权衡

对于某些应用,设计人员可能根本不考虑添加单独的 RTC 器件,而是仅依赖于许多微控制器中内置的 RTC 功能。当然,并非所有微控制器都内置了 RTC。那些确实内置了该功能的微控制器,通常需要定期重新校准 RTC 输出,才能满足应用的计时精度要求。除了需要额外的硬件和软件来执行重新校准之外,时钟误差还可能累积,导致在误差达到重新校准阈值之前,数据时间戳便不正确。

尽管可以通过将器件时间与网络同步的办法来校正误差,但低功耗设计的最佳实践要求最大限度地减少网络连接,以缩短高耗电的无线电收发器的工作时间。显然,对于努力构建高精度、低功耗设计的开发人员来说,使用微控制器集成的 RTC 功能会涉及到许多权衡考虑。

诸如 Maxim Integrated 的 Darwin 系列之类超低功耗微控制器,通过采用专门为低功耗工作而设计的特性和功能解决了上述问题(请参见 构建更有效的智能设备:第 1 部分 – 使用 MCU 和 PMIC 的低功耗设计)。举例来说,在启用 RTC 且不保留 SRAM 内容的最低功耗“后备”模式下,Maxim Integrated 的超低功耗 MAX32660 Darwin 微控制器在 1.8 V 电源下的耗电约为 630 纳安 (nA)。在后备模式(及其所有工作模式)下,RTC 电路消耗 450 nA,这比许多独立 RTC 器件要少。

对于努力使电池续航时间最大化的开发人员,MAX32660 提供了更低功耗选择。在禁用 RTC 的最低功耗后备模式下(不保留 SRAM 内容),MAX32660 仅消耗 200 至 300 nA 电流。此值与启用 RTC 的后备模式电流 (630 nA) 减去 RTC 电路电流 (450 nA) 之差有明显差异,这与电路中所涉及具体工作状态的不同活动有关。当然,这种方法意味着设计人员需要找到一种外部 RTC 器件,它能以比微控制器 RTC 更高的精度工作,且消耗的电流更低。

Maxim Integrated 的低功耗 RTC MAX31341B 让开发人员可以充分利用高级微控制器提供的超低功耗模式,同时满足长时间离线工作情况下的时钟精度要求。

高效计时

Maxim Integrated 的 MAX31341B 满足了电池供电的空间受限型设计对小型超低功耗 RTC 器件不断增长的需求。与早期 RTC 不同,MAX31341B 的基本计时操作仅消耗 180 nA 的微小电流,同时它在尺寸为 2 mm x 1.5 mm 的小型晶圆级封装 (WLP) 中集成了必不可少的功能(图 2)。

图 2:Maxim Integrated 的 MAX31341B 消耗 180 nA 的计时电流,同时在 2 mm x 1.5 mm 封装中集成了完整的 RTC 功能。(图片来源:Maxim Integrated)

除了精确的日期和时间数据,MAX31341B 可在许多应用中提供基于时间的报警功能。片上控制逻辑管理一个倒计时定时器和一对警报器,后者可通过器件的 ØINTA 和 ØINTB 引脚产生输出中断。开发人员可以重新配置器件,将 ØINTA 用作 CLKIN 输入,以利用外部时钟驱动 RTC 计数器。同样,ØINTB 可用作 CLKOUT,以通过寄存器设置的可编程输出频率,输出一个方波到所需的分频计数器。

该器件还可进行编程以产生中断,以便响应 D1 数字输入引脚或 AIN 模拟输入引脚上的输入。对于模拟输入,当 AIN 上的信号上升或下降经过四个编程阈值(1.3 V、1.7 V、2.0 V、2.2 V)之一时,就会产生中断。在这种模式下工作时,MAX31341B 可以向主机处理器发送信号,例如告知主机 RTC 电源电压已降至阈值以下或已恢复,使得主机可以采取适当措施。

此外,AIN 输入在 MAX31341B 的电源管理功能中也起着重要作用,如果主电压源不可用或低于阈值,该输入可用来维持器件电源。利用 MAX31341B,开发人员只需在硬件设计中增加外部电压源,例如可充电电池或超级电容器。相应的软件设置同样简单明了,只需在器件电源管理寄存器中设置一个位,即可将器件配置为自动电源管理。

在这种模式下编程后,MAX31341B 的 AIN 引脚用作涓流充电链的输出。充电链包括一个可选的齐纳二极管和三个内部电阻器路径,通过选择路径可设置所需的充电电流水平(图 3)。

图 3:Maxim Integrated 的 MAX31341B RTC 集成了涓流充电链,允许开发人员以编程方式配置该链和充电电流水平。(图片来源:Maxim Integrated)

在此模式下正常工作时,该器件从主电压源 VCC 汲取典型值为微安 (µA) 级的涓流充电电流。同时,MAX31341B 使用 AIN 端口跟踪后备电源电压电平,对 VCC 和后备电源进行监控。如果 VCC 降至 AIN 引脚上的测量电压以下,MAX31341B 会自动禁用涓流充电链,并通过 AIN 将其电源切换为后备电源。

开发支持

Maxim Integrated 通过提供评估板 MAX31341EVKIT 和随附的评估软件应用程序,为对 MAX31341B 的硬件配置和可编程功能感兴趣的设计人员提供支持。如评估套件原理图所示,开发人员只需将 MAX31341B 直接连到后备电压源,例如 Eaton 的 KW-5R5C334-R 超级电容器,即可实现后备硬件设计(图 4)。

图 4:Maxim Integrated 的这部分 MAX31341EVKIT 评估板原理图表明,为了获得后备计时电压源,MAX31341B 仅需要将其 AIN 引脚直接连到可充电电压源,例如评估板上使用的 Eaton KW-5R5C334-R 超级电容器。(图片来源:Maxim Integrated)

评估软件在个人计算机(通过 USB 连接到 MAX31341B RTC 评估板)上运行,提供了一组选项卡,用于监控器件的计时结果以及设置中断和寄存器。使用该软件,开发人员可以将器件设置为在电源管理模式下运行,探索器件配置涓流充电路径的选择(图 5)。

图 5:Maxim Integrated 的 MAX31341B RTC 评估套件软件提供了一系列菜单,用于设置器件寄存器并对特殊功能进行编程,例如电源管理模式及其涓流充电链配置。(图片来源:Digi-Key)

如图 4 所示,基于 MAX31341B RTC 的系统设计几乎与硬件接口的功能框图一样简单(图 6)。

图 6:开发人员可以将 Maxim Integrated 的 MAX31341B RTC 增加到系统设计中,仅需一个晶体振荡器、一个可选的后备电压源和几个无源元件即可。(图片来源:Maxim Integrated)

同后备电压源一样,集成所需外部晶体不需要任何附加元器件。与早期 RTC 器件不同,MAX31341B 允许使用等效串联电阻 (ESR) 高达 100 千欧 (kΩ) 的晶体,使得可用晶体的范围更加广泛。

在主机侧,MAX31341B 提供了简单的 I2C 串行接口,以便与 Maxim Integrated 的 MAX32660 Darwin 微控制器等处理器进行交互。使用该接口,主机上运行的软件代码仅需很少的指令即可管理 MAX31341B 的操作,并顺序访问或在单个脉冲串中访问时间和日期数据。

利用 MAX32660 和 MAX31341B,开发人员可以实现超低功耗设计,满足许多依赖精确计时的应用需求。实际上,典型晶体振荡器引起的 RTC 时钟误差可能导致某些应用出现问题,特别是那些需要在很宽温度范围内工作的应用。

在典型 RTC 设计使用的音叉晶体振荡器中,当温度相对于温度转折点(误差率变化变为零的点)下降或升高时,误差率会随之增加;误差率以百万分比 (ppm) 表示。对于大多数 32 千赫兹 (kHz) 晶体,温度转折点的范围是 20°C 至 30°C。在此范围之外,典型晶体具有 -0.02 至 -0.04 ppm/°C2 的温度系数,导致用户在高温和低温时可能遇到两位数误差率。

例如,MAX31341EVKIT 评估板使用 ECS 的 ECS-.327-6-12-TR 晶体,其规格书分别规定了 25°C 和 -0.03 ppm/°C2 的转折温度和温度系数标称值。MAX31341B RTC 时钟的误差率进而也遵循这些特性,如图 7 所示。

图 7:Maxim Integrated 的 MAX31341B RTC 时钟误差由外部晶体振荡器的性能决定,相对于晶体振荡器温度转折点的误差变化率由晶体的温度系数决定。(图片来源:Maxim Integrated)

即便是在更极端温度下表现出 20 ppm 误差率,相应的时钟误差每月也只有大约一分钟。当然,个人健身可穿戴设备与桥梁中嵌入的结构完整性监控器相比,此误差率的影响会有很大不同。对于不太关键的数据,利用网络资源定期校正可能就够了。而对于关键应用,设计人员可能需要补偿与关键数据相关联的时间戳的 RTC 误差,或者使用温度补偿晶体振荡器 (TCXO),例如 SiTime 的 SIT1552AI-JE-DCC-32.768E,其在 -40°C 至 +85°C 的整个温度范围内的额定稳定度为 5 ppm。

总结

在像可穿戴设备和其他移动产品这样空间受限的小型设备中,长时间空闲状态下的电流消耗已成为制约电池续航时间的重要因素。在空闲期间,这些系统一般必须能够精确维持当前时间和日期,即使其大多数元器件都已进入低功耗休眠状态。使用集成的实时时钟功能时,超低功耗微控制器可能无法实现最低功耗水平。

Maxim Integrated 的 RTC 器件专为提供低功耗解决方案而设计,让开发人员能以纳安级电流维持精确的计时功能。这样一来,其他系统元器件就可以在空闲期间休眠,进入最低功耗模式,从而使得移动设计的电池续航时间最大化。

文章来源网络

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