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便攜式儀器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

更新時(shí)間:2016-01-29      瀏覽次數(shù):1480

1 低功耗設(shè)計(jì)
  便攜式儀器一般采取電池供電方式。使用者當(dāng)然不希望經(jīng)常性的充電或更換電池,所以待機(jī)時(shí)間的長短往往是使用者考慮的一個(gè)重要因素。這要求設(shè)計(jì)者采取各種方法來降低功耗。
1.1 選擇低功耗的元器件
  隨著集成電路工藝的發(fā)展,集成電路的電源電壓已呈下降趨勢。運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器及各種數(shù)字器件均廣泛采用CMOS工藝。微功耗IC的工作電流已經(jīng)降到幾μA~幾十μA,一種帶基準(zhǔn)電壓源的電壓比較器MAX918,工作電流僅需0.8μA,這使得功耗顯著降低。作者根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),提出以下幾點(diǎn)建議:
  由于低的電源電壓有助于降低功耗,近年來,3.3V的低電壓CMOS器件已經(jīng)在設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用,2.5V供電的芯片也出現(xiàn)在較新的便攜式儀器中。將來芯片的電源電壓甚至還會繼續(xù)下降到0.9V。
  MCU(微控制器)和MPU(微處理器)往往是系統(tǒng)中消耗功率多的元件,盡量選擇RISC芯片,因?yàn)樾酒凸牡挠涗洿蠖嗍怯蒖ISC芯片創(chuàng)造的。
  單電源供電可提高電源使用效率,在設(shè)計(jì)中盡量采取單電源供電的芯片,特別是運(yùn)放。
  顯示元件可采用LCD(液晶)顯示器,盡量不用根據(jù)不同的工作狀態(tài)可以關(guān)閉一部分電路,特別是對大電流器件。早期有關(guān)閉功能控制的主要是電源IC,現(xiàn)逐步發(fā)展到運(yùn)算放大器、比較器、A/D轉(zhuǎn)換器等器件。在關(guān)閉狀態(tài)下,IC不工作,耗電在零點(diǎn)幾微安到幾微安之間。當(dāng)電路不可避免的使用大電流器件時(shí),如紅外發(fā)射器、無線通訊發(fā)射器件等,應(yīng)設(shè)計(jì)使大電流的電路單元僅僅在需要其工作的短時(shí)間內(nèi)工作,其余時(shí)間使其處于斷電狀態(tài)。設(shè)計(jì)這種電路時(shí)需考慮電路的工作響應(yīng)時(shí)間。
  降低系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率。數(shù)字芯片的功耗與時(shí)鐘頻率有關(guān),在權(quán)衡運(yùn)行速度后,采用較低的時(shí)鐘頻率可以降低電流消耗。以PIC16C71低功耗單片機(jī)為例,當(dāng)供電電壓為5V,時(shí)鐘頻率為4MHz時(shí),功耗約為10 mW;在相同的供電電壓下,把時(shí)鐘頻率降到32 kHz時(shí),功耗約為0.15 mW。功耗明顯減少。
  供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是低功耗設(shè)計(jì)的重要方面。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)采用電池供電時(shí),設(shè)計(jì)人員必須考慮大電流消耗、工作電壓范圍、尺寸和重量約束、工作溫度范圍以及工作頻率等因素。各種類型電池的工作電壓互不相同,鋰電池為3.0V,而鎳-鎘電池則可提供高達(dá)30A的電流。設(shè)計(jì)人員選擇電池時(shí)必須考慮每種類型電池的所有特征。電源芯片需考慮采用效率高、體積小的芯片。
  在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該對功能和功耗進(jìn)行評估。一般說來,更多功能必然意味著更大的硬件規(guī)模、更大的功率消耗,有一些可有可無的功能應(yīng)盡量縮減。
1.3 優(yōu)化軟件設(shè)計(jì),充分利用睡眠方式
  在大部分便攜式儀器內(nèi)部有MCU,MCU節(jié)省內(nèi)部功耗的好方法就是進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下,MCU的振蕩器被關(guān)閉,這可使它只消耗極小的電流,典型值為幾微安數(shù)量級??衫帽O(jiān)視定時(shí)器或外部中斷將MCU從睡眠狀態(tài)喚醒。如動態(tài)心電圖儀,由于人的心跳相對于MCU的時(shí)鐘是很緩慢的,可以利用定時(shí)器中斷,定時(shí)的將MCU喚醒,處理完成后再次進(jìn)入休眠,這樣可以大大降低功耗。
2 抗干擾設(shè)計(jì)
  人體置身于充滿電磁場的空間,恰如一個(gè)天線接收器,人體上感應(yīng)有各種頻率的電壓,很有可能干擾便攜式儀器。而且便攜式儀器可能會工作在各種環(huán)境下,特別是一些針對工業(yè)用的儀表要面對電磁環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場,這時(shí)外界的干擾就更大了。
  形成干擾的基本要素有3個(gè):干擾源、傳播路徑和干擾耦合器件。干擾源是產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號,比如雷電、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等。傳播路徑是指從干擾源到干擾耦合器件的通路和媒質(zhì)。干擾耦合器件指被干擾的對象,每個(gè)IC和傳感器都有可能**擾。對便攜式儀器而言,因?yàn)槠渌幬恢玫牟还潭ㄐ?,外部干擾源是不可選擇的,所以只能從降低內(nèi)部干擾、消除干擾傳播途徑上做文章。
  一般電路設(shè)計(jì)中的幾個(gè)抗干擾原則依然是要遵循的。如合理分布元件,強(qiáng)弱信號及數(shù)字、模擬信號分塊布局;盡量避免90°折線,布線器支持圓弧線的盡量用圓弧線;數(shù)字地與模擬地分離,并后接于電源地;用地線將數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)隔離;布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積,電源線和地線要盡量粗,好采用多層板設(shè)計(jì),一層電源一層地,以降低噪聲的耦合;對電源低頻濾波,電路板上每個(gè)IC電源輸入端并聯(lián)一個(gè)0.01μF~0.1μF的高頻濾波電容;對于芯片閑置的管腳,盡量不要懸空;單片機(jī)系統(tǒng)好使用電源監(jiān)控和看門狗電路;高頻器件盡可能放在電路板邊緣;盡可能降低時(shí)鐘頻率等等。
  但是也有些傳統(tǒng)的抗干擾措施不可能應(yīng)用于便攜式儀器。比如對付高頻輻射干擾有效的辦法就是在外殼加屏蔽罩,這種措施一方面增加了體積和重量,另一方面對于有些需要與外界接觸的儀器是不適用的。替代的方法是在外殼噴涂導(dǎo)電材料。再如,如果受板上空間的限制,不能將輸入的模擬信號充分濾波,則必須用軟件濾波。
  多數(shù)的連接元件與電纜相連,這樣就為EMI(電磁干擾)充當(dāng)了不想要的天線。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保持連接元件與高頻信號源(如時(shí)鐘信號)盡量遠(yuǎn)。同樣易受干擾的電路,如復(fù)位或中斷,也盡量遠(yuǎn)離高頻信號源,并加大電容濾波。當(dāng)板上沒有足夠的空間時(shí),寧可將連接元件固定在外殼上。
3 ESD保護(hù)
  嚴(yán)格的說,ESD保護(hù)也是抗干擾設(shè)計(jì)的一部分,但是鑒于ESD保護(hù)長期以來都沒有引起設(shè)計(jì)人員足夠的重視,以及便攜器件受到靜電放電(ESD)損壞的可能性非常大,現(xiàn)將它單獨(dú)闡述。兩種不導(dǎo)電材料的接觸與分離都會引起電子的轉(zhuǎn)移,因而在各物體上產(chǎn)生額外的電荷。當(dāng)積累的靜態(tài)電荷向另一個(gè)電位較低(相對地)的物體放電時(shí),放電量的大小和放電持續(xù)時(shí)間取決于充電材料的類型和周圍的環(huán)境等多種因素。所有的便攜電子器件,從基本的到復(fù)雜的,都容易受到ESD的損壞。
  一個(gè)值得信賴的操作員即使在正常的設(shè)備操作中也可能攜帶有危害的電荷。過去,ESD保護(hù)常常是根據(jù)需要事后補(bǔ)充到電路設(shè)計(jì)中。然而,由于半導(dǎo)體越來越復(fù)雜,亞微米工藝和非常細(xì)小的線寬對瞬態(tài)過壓的影響也越明顯,一些敏感的元件可能被低至20V的ESD電壓損壞,過去所采用的傳統(tǒng)保護(hù)方法,如火花放電器、齊納二極管、RC網(wǎng)絡(luò)和箝位二極管已經(jīng)不再適用,因?yàn)樗鼈儠a(chǎn)生安全假象,甚至干擾電路的正常操作。而且,歐共體的EN61000-4-2等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為所有電子產(chǎn)品均設(shè)定了嚴(yán)格的抗ESD要求。顯然,一個(gè)良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該在電路設(shè)計(jì)的初階段就考慮ESD對便攜器件的威脅。
  有幾種瞬態(tài)保護(hù)裝置可供選擇,常用的如瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管。但選擇時(shí)仍應(yīng)十分謹(jǐn)慎。如果器件選擇不當(dāng),就不能發(fā)揮作用,而且還會干擾電路的正常工作。為了抑制便攜系統(tǒng)的瞬態(tài)過程,保護(hù)裝置必須具有以下特性:
•極快的響應(yīng)時(shí)間;
•低的箝位電壓和操作電壓;
•能夠處理高峰值ESD電流;
•能承受ESD的重復(fù)作用而不受破壞;
•尺寸小;
•反向漏電流小。
  PCB布線是抗瞬態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分,尤其是便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。保護(hù)通路中的寄生電感會產(chǎn)生電壓尖峰,并可能超過被保護(hù)IC的損壞門限值。這在ESD或EFT(電快速瞬變脈沖群)這樣的快速瞬變中尤其嚴(yán)重。電感負(fù)載上的電壓與電流的時(shí)間變化率成正比。根據(jù)IEC1000-4-2標(biāo)準(zhǔn),ESD所產(chǎn)生的瞬變可以在1ns內(nèi)達(dá)到峰值。假設(shè)每英寸布線的電感是20 nH,且布線長為0.25英寸,則電壓尖峰將是一個(gè)電壓為50 V、電流為10A的脈沖。必須考慮所有的電感通路,包括地線回路、TVS(與被保護(hù)線之間的通路)以及連接器到TVS器件之間的通路。TVS器件應(yīng)盡可能靠近連接器,以減少對附近布線的瞬態(tài)耦合。輻射還會影響電路板的其它區(qū)域,即便與連接器之間沒有直接的通路。后,應(yīng)避免在電路板邊緣或靠近被保護(hù)布線的地方布置重要的信號線。
  在外殼設(shè)計(jì)上,外殼開口和內(nèi)部電路之間應(yīng)留有足夠長的放電距離,盡量使電路敏感部分遠(yuǎn)離開口。對于塑料外殼的產(chǎn)品,其中的PCB還應(yīng)避免與開口附近的殼體相接觸,因?yàn)镋SD可使電弧沿塑料表面接入PCB。
4 減小體積尺寸
以上所述都是著重于性能方面的考慮,對于便攜式儀器而言,體積和重量也是使用者很關(guān)注的方面。為了減少體積需要考慮以下幾個(gè)方面的問題。
  盡量使用貼片元件。目前國外生產(chǎn)的電子產(chǎn)品約90%以上采用貼片式元器件(SMD),采用表面組裝技術(shù)(SMT)進(jìn)行裝配,而便攜式電子產(chǎn)品則是100%采用貼片式元器件。采用貼片式集成電路組成的電子產(chǎn)品可以兩面貼裝,不僅僅是尺寸小,并且有更好的高頻性能。
  選擇功能集成的IC。進(jìn)一步縮小IC的封裝尺寸是有困難的,但是可以選擇將幾個(gè)相關(guān)的集成電路做在同一塊硅片上的IC。比如MICROCHIP公司的PIC單片機(jī)就把MPU、A/D轉(zhuǎn)換器和脈寬調(diào)制等功能做到一塊,利用它*可以形成一個(gè)獨(dú)立單片系統(tǒng)。數(shù)字可編程器件如CPLD、FPGA等把以前的大量門電路集中在一塊芯片上?,F(xiàn)在更是出現(xiàn)了一種新的可編程SOC器件,其中集成了可編程模擬電路。這使得芯片的靈活性大大提高,SOC(systemonchip)時(shí)代越來越近了。選擇功能集成的芯片對于儀器的低功耗設(shè)計(jì)也是很有好處的。
  在布局布線時(shí),在滿足抗干擾性的條件下,盡量把元器件往一起擠,布線不通時(shí)盡量考慮增加線路板的層數(shù),而不是擴(kuò)大面積。另外與一般儀器不同,為了有效的利用每一寸空間,便攜式儀器的線路板在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該與外殼設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通,在電路特性允許的情況下,布局布線和線路板形狀等都盡可能的兼顧外殼設(shè)計(jì)。
5 結(jié)束語
  便攜式儀器雖然大多小巧玲瓏,但要考慮的問題也包括了方方面面的內(nèi)容。除了上述這些有著普遍意義的注意點(diǎn)之外,在進(jìn)行設(shè)計(jì)便攜式儀器時(shí)還需要結(jié)合不同的用途、特性和使用場合,發(fā)現(xiàn)特定研發(fā)對象的個(gè)性的注意點(diǎn)。另外各個(gè)注意點(diǎn)之間可能是矛盾的,在不可兼顧的時(shí)候,要善于找到問題的關(guān)鍵點(diǎn),作出正確的取舍,從而設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理的便攜式儀器,方便人們的生產(chǎn)生活。

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