Блок питания для приложений с питанием от батареи с прецизионным АЦП

Я разрабатываю приложение с питанием от батареи в виде датчика со встроенным высокоточным (от 20 до 24 бит) сигма-дельта АЦП, который измеряет пару тензодатчиков в мосте Уитстона. Мой вопрос касается того, как правильно запитать такое устройство, чтобы оно соответствовало требованиям АЦП с низким уровнем шума, а также длительному времени автономной работы всего продукта.

Я намереваюсь снабдить датчик двумя последовательно соединенными одноэлементными щелочными батареями, например, 2 батарейками типа АА, обеспечивающими номинальное напряжение 3 В. Глядя на кривую разряда типичной щелочной батареи типа АА, я вижу, что напряжение ячейки колеблется от 0,8 В (разряженная) до 1,5 В (номинальное). Другими словами, я получу напряжение питания 2 x 0,8 В = 1,6 В, когда я использую полную мощность.

АЦП, который я собираюсь использовать, имеет требования к аналоговому источнику питания от МИН. 2,7 В до МАКС. 3,6 В. Поэтому, чтобы полностью использовать емкость батареи, мне нужно будет использовать какую-то схему управления питанием, которая может повысить напряжение моей батареи (VBAT: 1,6–3 В) до стабильного уровня 3–3,3 В. Для этого я рассматривал возможность использования повышающего регулятора постоянного/постоянного тока. Основная проблема, которую я вижу в таком устройстве, - это большие пульсации, которые оно производит при регулируемом выходном напряжении, что может поставить под угрозу точность АЦП.

Итак, дилемма, с которой я сталкиваюсь, заключается в том, что я хотел бы иметь как можно более длительное время автономной работы и в то же время не ставить под угрозу точность АЦП. У меня нет опыта использования регуляторов импульсного типа. Какой тип управления питанием вы бы порекомендовали для моего конкретного приложения? Есть ли хорошая практика?

Некоторые детали:

  • Тип АЦП : MAX11206 (20-битный одноканальный дельта-сигма)
  • Потребляемый ток : АЦП потребляет 300 мкА во время работы и 0,4 мкА в спящем режиме. Остальная часть платы потребляет в среднем 400 мкА.
  • Выходное напряжение : 3,3 В используется для AVDD, REF и VE для АЦП/моста и микроконтроллера на плате.
  • Соединение АЦП-мост : ратиометрическое соединение (где напряжение возбуждения моста такое же, как опорное напряжение).
  • Частота дискретизации : Очень низкая (1 выборка в секунду)

С нетерпением ждем ваших предложений.

Ответы (4)

Вы не упомянули ни требования к току для вашего устройства, ни общие диапазоны напряжения для баланса вашей схемы. Вы можете обновить свой вопрос с помощью этой информации, чтобы ответы отражали более полную перспективу.

АЦП будет иметь внутренний источник опорного напряжения, который снизит основные проблемы с пульсациями, пока напряжение питания превышает минимальное значение V IN . Я был бы гораздо больше обеспокоен шумом от переключателя, попадающим в аналоговый входной каскад АЦП, особенно с динамическим диапазоном ~ 120 дБ, с которым вы работаете.

Хотя проблемы с шумом коммутатора не являются непреодолимыми, я бы предпочел конструкцию с химическим составом/счетчиком ячеек, который устраняет необходимость в коммутаторе. Примерами могут служить перезаряжаемый элемент LiPo, первичные литиевые элементы на 3,6 В или 3 щелочных элемента типа N на 1,5 В. Это в сочетании с разумным управлением питанием LPO, при необходимости, обеспечит электрически бесшумное устройство.

Спасибо за ваш ответ. Я поместил некоторые дополнительные детали в конце моего поста. Что вы подразумеваете под «общими диапазонами напряжения для баланса вашей схемы»? Я бы предпочел использовать стандартные щелочные батареи, так как важно, чтобы батареи были легко доступны.
@ user1507569 Я предполагаю, что у вас есть другие устройства, такие как UP, дисплеи и т. д., которые имеют свои собственные требования к напряжению и току. Все это должно быть учтено в решении.

Вы можете периодически включать и выключать повышающий преобразователь. Включите, чтобы зарядить большой буферный конденсатор, выключите, чтобы измерить. Рекомендуется вставка малошумящего LDO.

Также может быть возможно просто синхронизировать преобразование между переходными процессами переключения. Конечно, шум цепи — это проблема, которую можно контролировать, но есть и окружающие электромагнитные помехи, о которых стоит беспокоиться. Целевой уровень шума составляет 1-10 мкВ, что сложно.

У вас будет много схем. Чтобы избежать магнитной связи, вам нужны петли с нулевой площадью и точная ориентация под углом 90 градусов и/или экранирование. Петли с нулевой площадью не возникнут; ниже результат с петлями 4см на 1см.

Давайте рассмотрим минимальный уровень шума магнитных полей от этого переключателя к схеме АЦП/входа.

Предположим, коммутатор генерирует переходные процессы [0,1 ампер за 10 наносекунд].

Предположим, что коммутатор находится на расстоянии 4 см от АЦП/входа.

Предположим, что АЦП/вход имеет уязвимую область (след + неаккуратное мышление GND) размером 4 см на 1 см.

Что такое индуцированное напряжение?

Используйте Vinduce = [MU0 * MUr * Площадь / (2 * пи * Расстояние)] * dI/dT

Vinduce = 2e-7Генри/метр * Площадь/Расстояние * dI/dT

Vinduce = (2e-7Генри/метр * 4 см * 1 см/4 см) * 1 метр/100 см * dI/dT

Vinduce = 2e-7 * 1e-2 * 10^+7 ампер/сек = 2e-9 * 1e+7 = 0,02 вольта

Vinduce = 20 000 мкВ


топология: длинный прямой провод с током 0,1 ампера за 10 наносекунд

располагается

4 см от

АЦП/вход с уязвимой зоной контура 4 см на 1 см

без экранирования; вам нужно 86 дБ экранирования


Кстати, у АЦП с внутренней генерацией опорного сигнала не заявлено подавление высокочастотного мусора VDD.

Для этого я рассматривал возможность использования повышающего регулятора постоянного/постоянного тока.

если вы забыли, взгляните на структуру выводов gpio, и вы увидите, насколько она похожа на драйвер полумоста :)

как таковые, два других способа приблизиться к этому:

1) превратить пин gpio в повышающий преобразователь;

2) поскольку потребление тока довольно низкое, используйте зарядный насос — вы можете создать его, превратив вывод gpio в генератор прямоугольных импульсов.

пульсациями можно управлять с помощью периферийного устройства компаратора или периферийного устройства АЦП или путем параметризации опорного сигнала АЦП, если это позволяет.