如何设计和实现可延长电池寿命的低能量触摸系

 

2019-07-15 19:10

  )寿命。尽管在过去几年中设计低能耗系统取得了很大进展 - 电池能量密度更高,电子消耗更少,更精细 - 最常见的用户投诉仍然是设备永远不会持续足够长的时间而不需要充电。

  这些现代低功耗设备中的许多都使用触摸传感,这是一种广为接受的技术,适用于现代和下一代设计。与它们连接的控制器曾经是笨拙,笨重,需要不断校准。

  新一代算法和方法改变了这一切。因此,现代设备的用户可以期待清洁,可靠和良好实施的触摸系统。

  低功耗电子设备与触摸系统的结合是下一个挑战,在不影响功能的情况下减少能源使用。本文讨论如何设计和实现低能量触摸系统,以延长电池寿命和下一代设计的可用性。

  触摸感应技术可分为两大类:透明和不透明。我们在平板电脑和手机上熟悉的透明技术位于LCD屏幕之上,通常基于模拟电阻或电容触摸技术。

  对于模拟,由氧化铟锡等材料制成的导电层在受到压力接触时会改变电阻。通过测量每个轴的电压,确定一个位置(见图1)。由于弹性退化问题,大多数新设计使用电容技术。电阻式触摸层取决于材料的弹性,并且随着时间的推移,磨损会改变材料特性。

  电容式传感器类似地测量位置,但是通过使用相邻的电极。可以感测放置在绝缘电极上的导电物体(如手指)的电容变化并用于确定位置。

  不透明触摸传感器通常也是电容性的。按钮可以像大型PCB垫一样简单,但对于滑块和环,一系列铜表面用于通过这些元件之间的电容测量来检测位置。

  低成本,坚固且防水的设计可以利用不透明传感器实现高级用户界面,坚固,有弹性,耐用。即使是基于LCD的平板电脑和手机也可以利用不透明的传感器来实现不会从显示区域带走的硬接线触摸区。

  无论采用何种技术,系统都必须构建明智地使用能源管理计划。只是将微控制器置于睡眠状态不会削减它。唤醒系统可能需要触摸事件。

  通常,系统设计人员可以选择是使用中断还是轮询来唤醒处于低能量睡眠模式的微控制器,但电容式触摸系统并非如此。

  使用电容式触摸系统,感应电容通过保护涂层改变定时器或振荡器的时间常数。因此,必须使用门控计数器来生成用于确定印刷机的阈值。由于您不想添加外部逻辑,因此必须在微控制器中完成,这意味着它通常不会完全处于睡眠状态。

  将此与小型手持设备通常空间受限的事实相结合,理想的解决方案是单个片上微控制器具有在芯片上进行感应和处理所需的所有硬件资源。

  大多数触摸感应设计需要一个稳定的电流源为感应电容充电,一个模拟多路复用器将相应的元件路由到ADC或模拟比较器定时器或计数器,以及对电容器放电的能力。此外,处理器应具有良好的节能模式和功能,特别是如果它不仅仅是一个专用的触摸屏控制器。《 br》换句话说,如果一个高效,低功耗的微控制器具有执行触摸屏处理和设备主要功能的能力,它通常比设计双处理器系统更好。全功能解决方案

  一家进军触摸控制器技术的公司是赛普拉斯半导体公司,该公司拥有可编程片上系统技术(PSoC)。 PSoC®系统是嵌入式混合信号器件系列,采用该公司的M8C核心处理器。这些哈佛架构控制器的运行速度高达24 MHz,性能达到4MIPS。

  丰富的数字和模拟资源(特别是模拟多路复用)使其成为低功耗触摸屏控制的理想选择(参见图2)。该系列产品的亮度范围为8 K至32 K,采用16引脚至48引脚封装,最高可达2 KRAM。 1.8 V至5 V功率范围还可以帮助最大限度地降低功耗并直接匹配电池电量。

  图2:PSoC模拟多路复用器和电流源在允许精确触摸方面起着关键作用传感应用。

  性能水平也不错。例如,CY8C20xx6A系列具有多达33个CapSense®I/O和6个带本机I²C,SPIUSB的滑条。可以调整滑动传感器灵敏度,并且可以实现插补分辨率,最高可达64 K的一部分。可以使用逐次逼近和Σ-Δ转换技术。可以通过高达15毫米的玻璃覆盖层感应接近,为脆弱的LCD提供更加坚固的保护。

  功耗方面,采用这种技术的应用通常可以在1μA的睡眠电流下运行,在1-4 mA的电流下运行运行。通过该公司可免费下载的PSoC Designer™集成设计环境提供设计支持,具有图形资源配置实用程序,以及内置调试器和ICE支持的免费C编译器(和汇编器)。

  对于某些要求苛刻的设计,需要更多的处理能力,同时减少能源消耗。这里有一个不同的思考过程。硬件和软件模块都采用了新的关系,因为解决方案的设计功耗很低。

  Energy Micro的Gecko系列基于ARM®Cortex™-M3的处理器采用架构结构和资源,大大降低了运行功率下一代电池供电和手持设备。EFM32系列有五个功能,可以降低功耗,而不仅仅是几个低功耗模式。

  Gecko真正脱颖而出的原因是核心如何在自主功能下进入休眠状态仍然可以使用非常低的功率进行。独特的Reflex Bus架构(参见图3)允许建立基于状态机的交互,因此可以在没有微芯片唤醒的情况下进行整个事件序列的处理。

  例如,在能量模式2中,LCD,实时时钟,脉冲计数器,看门狗定时器,UARTI2C和模拟比较器都可以主动运行并监控外部世界,而核心和闪存处于静态 - 关闭状态(保留所有寄存器和设置值)。

  图3:EFM32微控制器中的外设反射系统可以在不涉及CPU的情况下直接将一个外设连接到另一个外设。该系统使外围设备能够产生其他外设可以消耗的信号,并在CPU休眠时立即做出反应。

  在此模式下,系统消耗0.9μA并在2μs内唤醒至完全活动模式,消耗180 μA/兆赫。由于片上丰富的外设资源和低功耗有源处理,同样的方法可用于实现功耗极低的电容式触摸系统,其余功能足以成为系统处理器。

  除反射总线外,Energy Micro还实施了低能耗传感器接口(LESENSE),可进一步降低能耗。通过将定时器功能移至能量模式2,该器件可以通过比较器执行门控计数器功能。

  这使得内核可以保持睡眠状态,而自由运行的RC张弛振荡器可以为多达16个电容传感器输入提供数组(参见图4)。用户可调节的反馈电阻可以控制电容式传感器的充电速率,以便在使用较慢的轮询时进一步降低功率。

  图4:低 - 功率张弛振荡器使用触摸电容器元件作为其频率的源。较低的频率偏移表示电容元件(例如手指)靠近传感器焊盘。

  比较器输出驱动内部开关以选择控制电容充电速率的参考电压。然后,振荡电压产生频率波形,该频率波形被选通以产生指示是否存在接近的手指(或电容性物体)的频率。当大电容(手指)靠近焊盘时会发生频率降低,这会使数字阈值检测器跳闸并唤醒内核(见图5)。

  不透明传感器的PCB布局取决于平行铜距和紧密间距。电容只是一个因素;实际上有五个因素会影响振荡。除了PCB电容(C)之外,还有串联电阻,上限阈值电压设置和下限阈值电压设置。电源电压也会影响频率。

  这让设计人员可以决定在特定时间范围内会发生多少次振荡。将LESENSE阈值调整到正确的数字将唤醒微控制器。

  另一个需要考虑的因素是大型PCB传感器对手等较大物体更敏感。您可以通过移除接地层来提高灵敏度,但您会对EMI和噪声更敏感。中间路线的方法是在传感器和周围的地平面之间留出空间,因此场线指向用户。

  幸运的是,有一个开发板来自Energy Micro的实施电容式触摸传感器和一些额外的低能量感应电路。

  Tiny Gecko入门套件是USB可编程ARM Cortex-M3(EFM32TG840F32)演示和开发套件。它包含一个能量监视器,用于测量和验证USB或电池模式下的低功耗操作。

  除了直接驱动的8x20段LCD,按钮和用户LED外,Tiny Gecko入门套件还包含触摸功能电容滑块和软件实现了极低功耗的触摸界面。其他传感器是电阻式,光级,金属感应传感器,也可以在微控制器处于睡眠状态时运行。

  现有多种OEM解决方案可满足许多触摸系统要求。各种标准尺寸的模拟电阻式触摸屏和电容式触摸屏可直接用于多种设计。甚至触摸屏控制器也可从OEM供应商处获得,并且可以很好地满足许多应用。例如,3M™MicroTouch™系列控制器可为不同尺寸的电容式触摸屏提供各种支持的触摸设备。其基于ASIC的控制器通常消耗500μA的休眠电流,但在工作期间通常需要75至85 mA的电流。对于POS系统,游戏机,工业系统和信息亭等功耗不敏感的应用,这是一种理想的解决方案。小型低功耗手持系统通常不能使用固定解决方案。尺寸限制,成本限制和功率限制将无法满足手持设备用户的需求。

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  UCD90120A 具有 ACPI 支持的 12 轨电源序列发生器和监视器

  信息描述 UCD90120A 是一款 12 轨 PMBus/I2C 可寻址电源排序器和监视器。该器件集成了一个12位ADC, 此ADC可监视多达 12个电源电压输入。 26个GPIO引脚可被用于电源启用,加电复位信号,外部中断,级联,或者其它系统功能。这些引脚中的12个引脚提供PWM功能。凭借这些引脚,UCD90120A 支持裕度调节以及通用 PWM 功能。 运用引脚选定电压轨状态功能可实现特定的电源状态。该功能允许使用多达3个GPI来启用和停用任意电压轨。对于执行系统低功耗模式及用于硬件设备的高级配置和电源接口 (ACPI) 规范而言,这一点是很有用处的。这个TI的 融合数字电源设计人员软件用于器件配置。这款基于PC的图形用户界面 (GUI) 提供了一种用于配置,存储和监视所有系统操作参数的直观界面。特性 可对12个电压轨进行监视及排序所有电压轨每400μs进行一次采样 具有2.5V,0.5% 内部 VREF 的12位模数转换器(ADC)排序基于时间,电压轨及引脚相关性 每个监视器具有4个可编程欠压及过压阈值每个监视器可提供非易失性误差及峰值日志记录 (多达12个故障详细表目) 针对10个电压轨的闭环裕度调节能力裕度输出可调节轨电压以与用户规定的裕度门限...

  信息描述 TPS3702 是一款集成型过压和欠压窗口检测器,其采用小型 SOT-6 封装。 这款高精度电压监视器非常适合电源容限较窄且由低压电源轨供电运行的系统。 该器件提供有 0.55% 和 1.0% 两个低阈值滞后选项,可防止在受监视电源电压处于其标称工作范围内时出现错误的复位信号。 并且内置有毛刺抑制功能和噪声滤波器,进一步消除了错误信号所导致的错误复位。TPS3702 无需使用任何外部电阻即可设置过压和欠压复位阈值,因此进一步提高了总体精度、减小了解决方案尺寸并降低了解决方案的成本。 每款器件的两种可用阈值电压可使用 SET 引脚进行选择。 独立的 SENSE 输入引脚和 VDD 引脚可满足安全关键型和高可靠性系统对于冗余的需求。 该器件还为 OV 和 UV 引脚提供了独立复位输出;可采用开漏配置将 UV 和 OV 引脚连接在一起。 该器件的静态电流典型值较低 (7µA),经测试能够在工业温度范围(–40°C 至 125°C)内工作。特性 输入电压范围:2V 至 18V 高阈值精度:0.25%(典型值)0.9%(–40°C 至 125°C)已针对 1V 和 5V 之间的标称电源轨优化的固定窗口阈值用于过压和欠压指示的开漏输出 内部毛刺抑制功能可使用 SET 引脚调...

  信息描述德州仪器 (TI) bq40z60 器件是一款可编程的电池管理单元,其集成有电池充电控制输出、电量监测和相关保护功能,能够完全自主地操作 2 至 4 节串联锂离子和锂聚合物电池组。此架构在电量监测处理器与电池充电器控制器之间实现内部通信,从而在系统负载瞬变和适配器电流限制期间根据外部负载条件和电源路径来源管理来优化充电量。可通过 NFET、电感和感测电阻等外部元件针对具体功率传输情况来调节充电电流效率。 该器件提供了电池阵列和系统安全功能,包括电池放电过流、充电短路和放电短路保护,以及针对 N 沟道 FET 的 FET 保护、内部 AFE 看门狗和电池断开连接检测。器件可通过固件提供更多保护 功能, 包括过压、欠压、过热等。特性全集成 2 节至 4 节串联锂离子或锂聚合物电池管理单元Pack+ 上的输入电压范围:2.5V 至 25V电池充电器效率

  92%电池充电器工作范围:4V 至 25V针对外部 N 沟道场效应晶体管 (NFET) 的电池充电器 1MHz 同步降压控制器软启动,限制浪涌电流外部开关限流保护可编程充电支持 JEITA/增强型充电模式 电量监测用于库伦计数器的 16 位高分辨率积分器16 位模数转换器 (ADC),通过 16 通道多路复用器...

  BQ34Z110 用于铅酸电池的采用 Impedance Track™ 技术的宽量程电量测量计

  信息描述 德州仪器 (TI) bq34z110 是一款独立于电池串联配置之外工作的电量计解决方案,此解决方案支持铅酸化学电池。 通过一个外部电压转换电路,可支持 4V 至 64V 的电池,可对此电路进行自动控制以减少系统功耗。bq34z110 器件提供几个接口选项,其中包括一个 I2C 从接口、一个 HDQ 从接口、一个或者四个直接 LED 接口、和一个警报输出引脚。 此外,bq34z110 提供对于外部端口扩展器(支持多于四个 LED)的支持。特性 支持铅酸化学电池 使用获得专利的 Impedance Track 技术,用于电压范围为 4V 至 64V 的电池老化补偿 自放电补偿支持的电池容量超过 65Ahr 支持高于 32A 的充放电电流 外部负温度系数 (NTC) 热敏电阻支持 支持两线C 和与主机系统进行通信的 HDQ 单线制通信接口 安全哈希算法 (SHA)-1,哈希消息认证码 (HMAC) 认证 一个或者四个直接显示控制 五个 LED 和通过端口扩展器的更多显示 精简的功率模式(典型电池组运行范围条件)正常运行:平均值

  19µa 封装:14 引脚薄型小外形尺寸封装 (tssop)电路图、引脚图和封装图...

  信息描述 bq40z50 器件采用已获专利的 Impedance Track 技术,是一款基于电池组的单芯片全集成解决方案,针对 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组提供电量监测、保护及认证等一些列丰富的功能。bq40z50 器件利用其集成的高性能模拟外设,测量锂离子或锂聚合物电池的可用容量、电压、电流、温度和其他关键参数,保留准确的数据记录,并通过 SMBus v1.1 兼容接口将这些信息报告给系统主机控制器。 bq40z50 器件为主机系统提供最大的功率和电流,从而支持 Turbo 升压模式。 该器件还支持电池跳变点,从而在预设的充电阈值状态向主机系统发送 BTP 中断信号。 bq40z50 针对过压、欠压、过流、短路电流、过载和过热情况,以及其他电池组和电池相关故障提供基于软件的 1 级和 2 级安全保护。具有针对认证码密钥的安全内存的 SHA-1 认证能够识别真正的电池组。这个紧凑的 32 导线 QFN 封装在尽可能地提供电池电量测量应用的功能性和安全性的同时,最大限度地降低解决方案成本和智能电池的尺寸。特性全集成 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组管理器及保护 下一代已获专利的 Impedance Track 技术可准确测量锂离子和锂聚合物电池...

  BQ27545-G1 单节、电池组端 Impedance Track 电量监测计

  信息描述bq27545-G1 锂离子电池电量计是一款微控制器外设,此外设能够提供针对单节锂离子电池组的电量计量。此器件只需开发较少的系统微控制器固件即可实现精确的电池电量计量。bq27545-G1 安装于电池组内或者带有一个嵌入式电池(不可拆卸)的系统主板上。 bq27545-G1 使用已经获得专利的 Impedance Track™ 算法来进行电量计量,并提供诸如剩余电量 (mAh)、充电状态 (%)、续航时间(最小值)、电池电压 (mV) 和温度 (°C) 等信息。该器件还提供针对内部短路或电池端子断开事件的检测功能。bq27545-G1 还 具有 针对安全电池组认证(使用 SHA-1/HMAC 认证算法)的集成支持功能。 该器件还采用 15 焊球 Nano-Free™ DSBGA 封装 (2.61 mm × 1.96 mm),非常适合空间受限的 应用。特性适用于 1 节 (1sXp) 锂离子电池的电池电量计 应用 支持高达 14500mAh 的容量 微控制器外设提供:用于电池温度报告的内部或者外部温度传感器安全哈希算法 (SHA)-1 / 哈希消息认证码 (HMAC) 认证使用寿命的数据记录64 字节非易失性暂用闪存 基于已获专利的 Impedance Track™技术的电池电量计量用于电池续航能力精确预测的电池放电模拟曲线针对电池老化、电...

  信息描述The bqJUNIOR™ series are highly accurate stand-alone single-cell Li-Ion and Li-Pol battery capacity monitoring and reporting devices targeted at space-limited, portable applications. The IC monitors a voltage drop across a small current sense resistor connected in series with the battery to determine charge and discharge activity of the battery. Compensations for battery age, temperature, self-discharge, and discharge rate are applied to the capacity measurments to provide available time-to-emptyinformation across a wide range of operating conditions. Battery capacity is automatically recalibrated, or learned, in the course of a discharge cycle from full to empty. Internal registers include current, capacity, time-to-empty, state-of-charge, cell temperature and voltage, status, and more.The bqJUNIOR can operate directly from single-cell Li-Ion and Li-Pol batteries and communicates to the system over a HDQ one-wire or I2C serial interface.特...

  BQ27541-G1 具有集成 LDO 的电池组端 Impedance Track 电池电量监测

  信息 Texas仪器bq27541-G1锂离子电池电量计是一种微控制器外围设备,可为单节锂离子电池组提供电量计量。该器件几乎不需要系统微控制器固件开发来实现精确的电池电量计量bq27541-G1位于电池组内或系统主板上,带有嵌入式电池(不可拆卸)。 bq27541-G1使用获得专利的Impedance Track™算法进行电量计量,并提供剩余电池容量(mAh),充电状态(%)等信息,运行时间为空(最小),电池电压(mV)和温度(°C)。它还提供内部短路或制表断开事件的检测。 bq27541-G1还使用SHA-1 / HMAC认证算法集成了对安全电池组认证的支持 优势特点 用于1系列(1sXp)锂离子电池应用的电池电量计32Ahr容量 微控制器外设提供: 精确的电池电量计支持高达32Ahr 用于电池温度报告的内部或外部温度传感器 SHA-1 / HMAC认证 终身数据记录

  64字节的非易失性划痕垫FLASH 基于专利阻抗跟踪技术的电池电量计量 模型电池放电曲线,用于准确的时间到空预测 自动调整电池老化,电池自放电,&n温度/速率低效 低值检测电阻(5mΩ至20mΩ) 高级电量计功能 内部短暂检测 标签断开检测 ...

  BQ24278 具有电源路径的 2.5A 单输入单节开关模式锂离子电池充电器

  信息描述 bq24278 高度集成的单节锂离子电池充电器和系统电源路径管理器件针对空间有限且带有高容量电池的便携式应用。 单节充电器由一个诸如 AC(交流)适配器或者无线电源的专用充电源供电运行。此电源路径管理特性使得 bq24278 能够在为电池独立充电的同时从一个高效 DC 到 DC 转换器为系统供电。 此充电器一直监视电池电流并在系统负载所需电流超过输入电流限制时减少充电电流。 这样可实现正常的充电终止和定时器运行。 系统电压被调节至电池电压,但不会下降至低于 3.5V。 最小系统电压支持使得此系统能够与一个残次品或者有缺失的电池组一起运行并且即使在电池完全放电或者无电池的情况下也可实现瞬时系统启动。 当适配器不能传送峰值系统电流时,此电源路径管理架构还允许电池补充系统电流需要。 这样可使用较小的适配器。 电池充电经历以下三个阶段:充电,恒定电流和恒定电压。 在所有的充电阶段,一个内部控制环路监视 IC 结温并且在超过内部温度阀值的情况下减少充电电流。 此外,bq24278 提供一个基于电压的电池组热敏电阻器监控输入 (TS) 来监控电池温度以保证安全充电。特性 具有独立电源路径控制的高效开关模式充电器从深度放电电池或者在无电...

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