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電池供電電子產品的位置編碼系統

2015年03月11日  | Jonas Kupp & David Lin

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節能、超低功耗的設計趨勢在所有感測器技術領域非常明顯。帶有無線網路和故障安全保護功能的可攜式設備和感測器尤其需要對位置資料進行低功耗測量。此外,在很多應用中,即便沒有外部電源,也需要探測出位置變化。測量所需的能量可通過電能收集解決方案獲得(參考文獻 1)或由電池提供。使用霍爾感測器的磁定位測量(magnetic position measurement)可被整合到包含完整的信號調節電路(signal conditioning circuitry)的單晶片編碼器中。


整合型霍爾感測器可節省空間和節省成本,但運行功率相對較高。要解決這一問題,需間歇地啟動霍爾感測器。快速定位測量(通常用於電機控制)需要對霍爾感測器進行快速評估和施以脈衝,而計量應用所需要的取樣速率較低。因此,節能運行需要採取特殊的解決方案。


如何實現微安?

霍爾感測器生成的信號電壓與磁通密度及霍爾元件的電流成一定比例。當使用CMOS技術時,其製程已決定了感測器的特性。因此,只能通過縮短霍爾元件的測量週期,降低電源電壓和使用超低功率(ultra-low power,ULP)電路設計技術來減少電流的消耗。


測量頻率僅設置在位置測量所要求的值。只有在確實需要時,ULP電路設計才會啟動個別功能模組。可程式設計的電源切斷(power-down)和喚醒(wake-up)電路可確保避免不必要的啟動,從而將平均電流消耗降至最低。將I/O埠的電源電壓減少至3.3V或1.8V可進一步減少電流消耗,簡化電池的選擇。


為減少外部磁場的干擾,霍爾編碼器晶片中整合了一對霍爾感測器,以獲取不同的磁場分量。磁場由在晶片上方旋轉的磁鐵生成。使用三相採樣法時僅需要3個霍爾感測器,而非慣用的4個感測器,這樣可以減少約25%的電流消耗。


總是一直開啟

為保持電池供電的長期運行,整合型單晶片ULP設計必須能夠完全自動開關。圖1顯示了基於iC-Haus iC-TW11的這一類ULP架構。這一器件是專門為電池供電的應用而開發的,這些應用需要精確位置測量但又要節省能耗。該設計(尤其是ULP設計)通過SPI介面與中央微控制器相連。只有在確實需要時,才會進行霍爾感測器的位置測量和採樣。


圖1:帶有微控制器的超低功耗霍爾編碼器架構。
圖1:帶有微控制器的超低功耗霍爾編碼器架構。

不需要進行不必要的測量週期,因為這樣可能會浪費電池的電量。在完成測量和轉換後,電路中所有不需要的元件將被關閉。同時,霍爾感測器採樣,帶有控制和自動校準功能的下行放大器電路以及角度測量改寫必須快速、節能。由此,當取樣速率為10Hz和解析度為10位元時,平均電流將低於3 μA。


在位置測量間隙自動啟動的待機模式下,完整單晶片霍爾編碼器的最大電流消耗僅為100 nA。作為選擇性採樣頻率功能,圖2顯示出了電源電流。面向外部的介面需要在3.3V或1.8V電壓下運行。因此,與ULP微控制器(需要較低電源電壓)連接時不需要電平轉換器(level shifter)。


圖2:電流消耗與取樣速率的對照曲線。
圖2:電流消耗與取樣速率的對照曲線。

對於位置測量,需實現較短的測量時間,這意味著在開始測量和獲得有效結果之間的延遲時間要縮短。為了使ULP微控制器在完成位置測量後能切換到待機模式,需要終端輸出來啟動微控制器。如果需要多個位置值,如可移動的多軸機器人,本設計可將通過一條SPI鏈和中斷線的多個iC-TW11串聯起來。由於並不總是都需要保證最大準確率,有時可關閉整合式的濾波功能,以節省更多的電能。


在正常運行中,通過啟動濾波器以及最高準確率達10位元解析度的自動放大器校準,iC-TW11可實現4 kHz的取樣速率。如果未啟動濾波器,時延將被減少至50 μs,取樣速率最高可達20 kHz。在取樣速率相同的情況下,不啟動濾波器通常可減少近乎90%的電流消耗。可通過微控制器或單獨的觸發脈衝輸入(如外部事件)啟動測量週期。如果可使用新的位置值,需要通過中斷來將微控制器從待機模式切換至運行狀態。通過時脈速率達16MHz的4線SPI介面來讀取絕對位置資料。由於iC-TW11和微控制器有效時間減少,較高的時脈速率也可能有助於減少電流的消耗。此外,出於測試的目的或為了測量磁間隙,也可能需要內部原始霍爾感測器值(10位元)、正弦值和餘弦值(12位元)以及放大係數(18倍步長)。


如果電容器採用峰值電流,電能收集解決方案(如帶有無線感測器的方案)可用來代替電池。對於數位控制按鈕,也可以通過超高電容緩衝來應對電源的故障。


切換電源線路

在一些應用中,即便在外部的電源不可用的情況下,也需要探測出位置變化。對於機器人來說,在出現電源故障後,它仍然可以利用慣性繼續移動,如果未能意識到位置變化,在錯誤資料下進行重啟是有危險的。因此,需要通過多匝編碼器安全探測出這些致動器(actuator)的所有持續移動。這些設備裝配了帶有電力故障保護功能(如配備電池)的機械齒輪或電子記錄。對於消耗功率的測量設備,如工業用氣或水錶等,即便沒有外部供應電壓,也需要實現這一功能,因此能在電池供電和外部供電模式之間自動切換尤為必要。


圖3顯示了使用iC-PV、可進行磁掃描葉輪的氣體流量計或水錶的方塊圖。這一ULP單片霍爾編碼器在運行時可在節能的電池供電和常規的電網供電之間自動切換。


圖3:工業用氣體流量計/水錶計量應用中的ULP編碼器。
圖3:工業用氣體流量計/水錶計量應用中的ULP編碼器。

如果供應電壓VDD低於規定標準,iC-PV將自動切換至電池供應VBAT。在電源電壓恢復至正常水準之後,iC-PV通過串聯介面提供帶計數器值的讀出器,以計算功耗。通過8位元CRC來檢測測量結果,並通過低態有效(active-low )NERR輸出以及串列資料傳輸內的誤碼來顯示錯誤。


在可調節的1至3位元解析度內,利用4個霍爾感測器即可探測位置變化,在40位元的多匝計數器中計算旋轉圈數。iC-PV也同樣擁有3位元的八進制解析度並行輸出。在校準期間,通過單獨的I2C介面對外部EEPROM進行程式設計,iC-PV在通電時載入由CRC保護的配置資料。


在運行模式和待機模式下,iC-PV的ULP設計採用類似於先前描述的iC-TW11的方法來減少電流消耗,但iC-PV有自己獨立的週期和定時控制,以便週期性地啟動既定的測量週期,同時無需使用外部微控制器。根據設定的取樣速率,可在12000 rpm至100000 rpm的速度下計算解析度。平均電流消耗為2 μA至30 μA,使電池緩衝運行可維持數年。


結論

如前兩個案例所示,使用ULP單晶片霍爾感測器進行的位置測量可在直接通過電池供電或甚至在出現電源故障的情況下有效進行。在第一種情況下,可控制測量週期,並通過微控制器進行外部處理。發生電源故障時,單晶片霍爾編碼器iC-PV通過備份電池供電。需要探測和保存所發生的變化,以便在重新使用外部電源時仍可保留這些變化。由於通過ULP設計技術可實現極低電流消耗(小於10 μA)的解決方案,將霍爾感測器與單晶片編碼器中的類比和數位評估電路整合在單晶片編碼器上是有益的。



參考文獻

[1] Energy-Harvesting Multiturn Counter/Encoder

[2] Sine/Cosine-to-Digital Conversion: Methods and Design Challenges (EDN 02/2014)




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