基于创新SoC方案低成本太阳能人体秤设计.doc

基于创新SoC方案的低成本太阳能人体秤设计 作者：廖文忠，贾颐康 全球应对气候变化正催生以低碳技术为支撑的新兴，低碳经济发展-Δ ADC作为模数转换。当PGA 等于64，输出速率7.8KHz时，分辨率为18b，有效位可以达到15b。同时，内置了专供电给传感器的基准电源，其中可以通过内部寄存器选择不同的电压值（2.2V、2.5V、2.8V、3V），以满足多种传感器。 CSU10xxB可以在睡眠模式下，在此模式下内置的LCD驱动电路仍然可以通过3KHz的看门狗时钟正常工作。此功能适合间隙工作模式来达到省电效果。 图：基于CSU10xx的太阳能人体秤系统方案框图。 上图是使用CSU10xxB的典型太阳能自动上称人体秤原理框图。此系统包括电源部分、模拟信号输入、显示部分、OTP自烧录。 内置采用创新技术的高性能ADC。作为面向测试应用的解决方案，SoC的模拟部分、特别是ADC的特性将决定方案的整体性能，在CSU10xxB芯片中采用了以下芯海科技创新的ADC技术：高精度ADC的噪声模拟模型非常复杂，除了量化噪声及模拟部分各种器件的热噪声、1/f噪声外，还有数字电路随时钟节拍运作时产生的衬底噪声和电源噪声，芯海科技创新性地使用了四阶随机斩波Sigma-Delta调制器，将高频部分（基带以外）的量化噪声滤除，从而得到信噪比极高的量化信号；高精度的ADC除了低噪声的模拟调制器外，高性能的DSP模块同样起着至关重要的作用，该SoC采用了先进行高速高阶滤波器再加一阶滤波输出的方式，来同时达到高的性噪比和高的响应速度；由于高精度ADC所探测的信号非常微弱，必须要通过前置放大器对信号进行放大、提高信噪比，芯海科技采用了特有的低功耗、低噪声、低成本PGA实现方式，设计出了高性能的SoC方案，大大提高了产品的市场竞争力。 创新电源设计提高光照响应速度。主要解决在太阳能电池板光照较低的情况下，给储能电容充电的初始电流很小，往往延长了开机时间，而在CSU10xxB中储能电容上的电压输入到芯片VDTI引脚，当检测到电压大于3.1V时，则从VDTO引脚输出控制信号到CMOS开关管，使储能电容上的电通过COMS开关管和LDO（2.5V），给CSU10xxB的数字部分和模拟部分供电。当储能电容上的电压低于2.1V时，则VDTO引脚输出关闭CMOS开关管的信号，让CSU10xxB停止工作，太阳能电池板上输出的电量全部给储能电容充电。从而提高了对光照的响应速度。 模拟信号输入。桥式传感器输出的模拟信号经过低通滤波器后输入到CSU10xxB的AIN0和AIN1差分输入引脚。为降低传感器的功耗，通过内部寄存器将基准电压输出设置成2.2V。 电容泵式显示偏置电压降低能耗。CSU10xxB的显示偏置电压有两种方式取得，电阻式分压和电容泵式。电容泵式是最省电，全屏显示时，只有小于5uA的电流，特别适合太阳能供电式产品的显示。 OTP自烧录。CSU10xxB内置OTP ROM，内部没有集成EEPROM。为避免外挂EEPROM带来成本和功耗的增加，采用OTP二次烧录的方法将标定数据存贮到空白的OTP上。通常芯片在OTP二次烧录时，另外需要接一个高电压（6V左右）到芯片，而CSU10xxB则可以通过控制内部寄存器将电荷泵输出引脚VLCD的电压升至VDD的2倍来实现。 设计要点与注意事项 CSU10xxB内置4MHz振荡器，当设计用于太阳能人体秤产品正常秤重时，为保证称重刷新速度和整机低功耗，需设置成3Hz的速度打开模拟部分进行读取传感器变化量，其它时间打开显示，MCU进入睡眠状态。这过程需采用4MHz的振荡器，并将MCU指令周期设成2MHz，以降低系统的每MHz的功耗。内置的ADC采用7.8KHz的输出速率。 CSU10xxB内置的是Σ-Δ ADC，每次打开时需要建立时间，因此每次扫描打开ADC读数时，需将前面三笔数据丢掉，取第四笔和第五笔进行算术平均。并将每次扫描得出的AD数送到8级滑动平均滤波器，以提高稳定性。 由于高速状态下，系统模拟部分对寄生电容相当明感，所以实际电路需注意以下细节： 1．PCB板布线时，模拟输入端的低通滤波电容尽量靠近芯片引脚，同时铜箔走线尽量短并且S+和S-引线长度尽量一样长； 2． AGND和DGND采用单点连接的方式，以减少数字部分和模拟部分相互干扰。 结束语 低成本和低功耗特性使得基于CSU10xxB的太阳能人体秤解决方案成功获得批量应用。随着太阳能电池板的转换效率得到提高和成本的降低，太阳能人体秤有望逐步替代电池供电的人体秤。芯海科技作为本土IC设计公司，从产品上市之初就以“IC+系统标准方案”为终端客户或方案商提供应用支持，为降低利用CSU10xxB进行产品开发的技术应用门槛，芯海科技