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电池供电电子产品中的位置编码

Jonas Kupp?? David Lin?? 2015年02月03日 ?? 收藏0

始终开启

为实现持久的电池供电工作,集成单芯片ULP设计必须能够完全自动开关。图1显示了基于iC-Haus公司iC-TW11的这种ULP架构。这一器件是专门为电池供电的、需要高集成度节能和精确位置测量应用而开发的。它通过SPI接口与中央微控制器(ULP设计更好)相连。只有在真的需要时,霍尔传感器才会进行位置测量和采样。

图1:带有微控制器的超低功耗霍尔编码器架构。
图1:带有微控制器的超低功耗霍尔编码器架构。

Hall Sensors霍尔传感器

From other Encoder来自其他编码器

Timing and Power Control时序和电源控制

SAMPLE采样

Angle Calculation角度计算

Configuration Memory配置存储器

SPI Communication SPI通信

Micro-controller微控制器

它没有不必要的测量周期,因为这样可能会浪费电池的电能。在完成测量和转换后,所有不需要的电路元件将会关闭。同时,霍尔传感器、带控制和自动校准的下行放大器电路以及角度测量插值的采样必须同时做到快速和节能。这样,在10Hz采样率和10位分辨率的情况下实现了低于3μA的平均电流。

在位置测量之间自动启动待机模式中,完整单芯片霍尔编码器的最大电流消耗仅为100nA。供电电流与所选采样频率的函数关系如图2所示。连接到外部的接口工作在3.3V或1.8V电压下。因此,与使用较低供电电压的ULP微控制器接口时,不需要电平转换电路。

图2:电流消耗与采样率的关系。
图2:电流消耗与采样率的关系。

iC-TW11 Average Current Consumption iC-TW11平均电流消耗

Normal Power Mode正常功耗模式

Low Power Mode低功耗模式

Sampling Rate采样率

对于位置测量,希望实现短时测量,这意味着在测量开始和结束之间的延时较短。为了使ULP微控制器在一次位置测量之后能切换到待机模式,该器件设置了唤醒微控制器的中断输出。如果需要多个位置值,如可移动的多轴机器人,设计时可通过一个SPI链路和多个中断线路将多个iC-TW11级联起来。由于并不总是需要有最高精度,集成滤波器功能可以关闭,以节能更多的电能。

在正常工作中,iC-TW11采样率达到4kHz,且滤波器和自动放大器校准功能开启,以实现10位分辨率的最大精度。如果关闭滤波器,延时可降低到50μs,采样率最高可达20kHz。在采样率相同的情况下,关闭滤波器通常可减少近乎90%的电流消耗。可由微控制器或通过单独的触发输入(即外部事件)启动测量周期。如果有新的位置值,微控制器通过中断从待机模式切换至工作状态。绝对位置数据通过时钟速率高达16MHz的4线SPI接口读取。由于iC-TW11和微控制器的工作时间减少,高时钟速率也将影响到电流消耗的减少。对于测试目的或磁气隙测量的需求,内部原始霍尔传感器值(10位)、正弦值和余弦值(12位)以及放大系数(18步)可选。

如果峰值电流由电容器提供,可使用能量采集解决方案(如带无线传感器的方案)替代电池。对于数字控制按钮,也可以用超级电容器缓冲来应对电源故障。

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位置编码? 单芯片? 霍尔传感器?

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