分析高性能低功耗太阳能衡器SoC的设计与应用

　　近两年，废电池对环境的影响成为国内媒体热门话题之一。有的报道称电池对环境污染很严重，一节电池可以污染数十万立方米的水。有的甚至说废电池随生活垃圾处理可以引起诸如日本水俣病之类的危害，还有一节5号废电池就可以使一平方千米土地荒废等，这些报道在社会上引起了很大反响，有很多热爱环保的人士和团体开展或参加了回收废电池的活动。然而，国家环保总局有关人士却认为，废电池不用集中回收，以前有关废电池危害环境的报道缺乏科学依据，在某种程度上对群众造成了误导。

　　低功耗太阳能衡器设计要点

　　对于使用传统电池供电的衡器产品而言，通常受体积和成本限制，如果采用太阳能电池板，其面积必然有限，从而限制了太阳能电池板的供电电量。因此，使用太阳能电池板供电的衡器解决方案需要解决以下问题：增加储能电路，让太阳能电池板发出的电量储存起来；降低功耗，整机关机和工作电流分别均需在nA、μA级。

　　电子衡器耗电量大的主要是传感器、ADC、MCU三大块。为此，通常的解决方案需要采用以下方法来实现整体低功耗特性：对传感器采用间歇供电或脉冲供电来降低传感器用电功耗；提高ADC输出速率，减少每次采样时间从而降低采样功耗；提高ADC有效位，以在高速下保证衡器；提高SoC运行速度以降低每MHz的功耗；降低LCD驱动电路功耗；提高集成度，减少外围器件。

　　芯海科技推出的高24位ADC芯片CS1242填补了国内中高端电子衡器芯片领域的空白。在满足高需求的同时，该公司针对当前低功耗应用的发展趋势，推出了具有低功耗特性的CSU11系列衡器SoC芯片，的优势是同时满足了自动上秤人体秤、太阳能人体秤对低功耗的要求，以及口袋秤对高的要求。该系列产品综合考虑了上述低功耗设计因素，实现了的低功耗特性，利用CSU11系列SoC设计的自动上秤人体秤，平均待机功耗可以低至3μA以下，太阳能人体秤称重电流20μA以下，口袋秤分度可以达到三万分之一。

　　CSU11系列SoC集成了8位RISC MCU，4K*16 OTP（可作为用户数据PROM）、256 RAM、4*18 LCD，以及16个I/O口（除了这16个I/O口外，所有的“Seg”口均可复用为输出，令IO总数多达到26个），双通道高速、高ADC，数据输出速率为16kHz。为了能够在一个芯片上同时满足低功耗和高的要求，CSU11系列SoC还提供了“功耗--速度”相互平衡的选项，但此种情况下线性度较差，为方案工程师进行多种类型的方案开发提供便利，只需要在配置上稍作改动，就可以满足不同的市场需求。

　　太阳能人体秤的出现，主要是为了避免普通电池对环境的危害，达到环保的目的。但是，目前市面上的太阳能人体秤需要昂贵的传感器和PS08主芯片。高昂的造价成本极大地限制了太阳能人体秤的市场占有率。每秒钟称重，则所需的动态功耗为4次*2.5mA*（1/1000秒）=10μA，LCD显示所需的功耗为5μA（驱动电路工作电流）+5μA（玻璃消耗）=20μA。

　　目前，国内某大型衡器企业已经成功利用CSU1101B芯片开发了太阳能电子秤产品，并实现了批量生产，已经成功实现对欧美市场批量出口。该产品的平均工作电流小于等于25μA，在55流明光照强度下就可以起秤，完全可以适用于包括浴室在内的各种室内环境。其达到2，000分度，具有自动开机功能，关机平均电流低于3μA。

　　提高系统性能的设计建议

　　目前，太阳能电子秤定位高端市场，并以出口欧美地区为主，为提高整机性能以及应对欧美地区严格的电磁兼容测试等相关标准，对基于CSU11系列SoC的产品设计给出如下建议，SOC不是创造概念的发明，而是针对工业自动化现状提出的一种融合性产品。它采用的技术是正在工业现场大量使用的成熟技术，但又不是对现有技术的简单堆砌，是对众多实用技术进行封装、接口、集成，形成全新的一体化的控制器。以前需要一个集成商来做的工作，现在由一个控制器就可以完成，此类设计实践对基于芯海科技的其他SoC以及一般的电子产品设计均有现实的指导意义：

　　1. 提高产品抗ESD性能

　　对产品ESD性能为重要的是产品外壳设计，必须尽可能地保证静电能量不引入到产品的PCB中。但是，按钮和电池仓有时在外壳设计中无法避免会被ESD事件所影响。所以，提升电路的ESD性能关键是要把按钮及电源部分的防ESD措施做好。

　　我国已经成为电子产品的加工基地，在珠三角、长三角集中了众多的电子产品加工企业。目前这些企业的 ESD 控制工作绝大多数没有按照美国标准建立ESD20.20 方案，工厂的 ESD 控制工作无非 是购买防静电工作服和手腕带这些简单的 ESD 用品，距离 ESD 20.20 标准有很大的差距。很多企业 在遇到国外的大客户现场稽核时，往往在做了精心的准备之后，却还是因为 ESD 问题被拒之门外。 ESD 技术水平的提高是整个电子行业的当务之急，ESD 体系标准的推广和普及任务艰巨。

　　有可能暴露于ESD事件的按钮，需增加RC电路来引导ESD能量到地，一般电容取值为0.1μF，电阻取值为10K。按键周围能敷满地线（采用实心铺地，不要网格铺地）。

　　PCB上的电源接入点附近，电源线焊点后必须紧接一个105电容（104电容亦可，但105电容可提高抗ESD上限），此电容主要用于在电池仓开盖打ESD时，泄放静电能量到地。此处的地应该铺成一片大地。

　　除上述两个措施之外，如果要进一步提高ESD性能，PCB上的地应尽可能地铺大片实心的地，不要使用网格铺地的方式。此外，传感器的地线接法设计，也有利于提升抗ESD性能。原则上，传感器的地线焊点应尽可能靠近电源接入焊点，以使静电能量无需经过板上绕线即到达传感器，从而减轻对芯片的冲击。

　　2. 提升AD性能

　　对于高手掌秤，特别是两万点以上的手掌秤而言，电路及PCB设计至关重要，合理的设计可以有效提高整秤性能。传感器上的电容应尽量靠近芯片管脚，且走线尽量等长平行。在开发具有时钟功能的秤或者需要通信功能的秤时，通常需要使用外接晶振，晶振要尽量接近芯片，走线平行，晶振底部不能走线，敷满地线。

　　本文小结

　　芯海科技将高性能ADC与MCU集成的产品开发思路为衡器行业提供了极具竞争性的解决方案，目前相关IC在国内超过千家企业中得到广泛应用，低功耗的太阳能电子称解决方案的推出顺应了当前低碳经济发展的大趋势。为缩短客户的产品面市时间并降低研发成本，芯海科技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，并提供成套的开发工具及丰富的应用软件包。