Ich entwerfe eine batteriebetriebene Anwendung in Form eines Sensors mit einem integrierten hochpräzisen (20 bis 24 Bit) Sigma-Delta-ADC, der ein paar Wägezellen in einer Wheatstone-Brücke misst. Meine Frage befasst sich damit, wie man ein solches Gerät richtig mit Strom versorgt, um sowohl die Rauschanforderungen des ADC als auch eine lange Batterielebensdauer für das Gesamtprodukt zu erfüllen.
Ich beabsichtige, den Sensor mit zwei in Reihe geschalteten einzelligen Alkalibatterien zu versorgen, zum Beispiel 2 x AA-Batterien mit einer Nennspannung von 3 V. Wenn ich mir die Entladekurve einer typischen Alkali-AA-Batterie anschaue, kann ich sehen, dass die Zellenspannung im Bereich von 0,8 V (entladen) bis 1,5 V (nominal) liegt. Mit anderen Worten, ich werde am Ende eine Versorgungsspannung von 2 x 0,8 V = 1,6 V haben, wenn ich die volle Kapazität ausgenutzt habe.
Der ADC, den ich verwenden möchte, hat eine analoge Versorgungsanforderung von MIN 2,7 V bis MAX 3,6 V. Um die Batteriekapazität voll auszunutzen, muss ich daher eine Art Energieverwaltungsschaltung verwenden, die meine Batteriespannung (VBAT: 1,6 V - 3 V) auf stabile 3 V - 3,3 V erhöhen kann. Dazu habe ich nach Möglichkeiten gesucht, einen DC/DC-Aufwärtsregler zu verwenden. Das Hauptproblem, das ich bei einem solchen Gerät sehe, ist die große Welligkeit, die es bei der geregelten Ausgangsspannung erzeugt, die die Genauigkeit des ADC beeinträchtigen könnte.
Das Dilemma, dem ich gegenüberstehe, ist also, dass ich eine möglichst lange Batterielebensdauer haben und gleichzeitig vermeiden möchte, die Genauigkeit des ADC zu beeinträchtigen. Ich habe keine Erfahrung mit der Verwendung von Schaltreglern. Welche Art von Energiemanagement würden Sie für meine spezifische Anwendung empfehlen? Gibt es eine gute Praxis?
Ein paar Details:
Wir freuen uns auf Ihre Vorschläge.
Sie haben weder Stromanforderungen für Ihr Gerät noch die Gesamtspannungsbereiche für den Ausgleich Ihrer Schaltung erwähnt. Möglicherweise möchten Sie Ihre Frage mit diesen Informationen aktualisieren, damit die Antworten eine umfassendere Perspektive widerspiegeln.
Der ADC verfügt über eine interne Spannungsreferenz, die grundlegende Welligkeitsprobleme mindert, solange die Schienenversorgung über ihrem minimalen V IN liegt . Ich würde mir viel mehr Sorgen darüber machen, dass Rauschen vom Umschalter in das analoge Frontend des ADC gelangt, insbesondere bei dem Dynamikbereich von ~ 120 dB, mit dem Sie arbeiten.
Obwohl Probleme mit dem Rauschen des Umschalters nicht unüberwindbar sind, würde ich ein Design mit einer Zellenchemie/-anzahl bevorzugen, die die Notwendigkeit eines Umschalters überflüssig macht. Beispiele wären eine wiederaufladbare LiPo-Zelle, primäre 3,6-Volt-Lithiumzellen oder 1,5-Volt-Alkalizellen vom Typ 3 'N'. Diese, kombiniert mit vernünftigem Energiemanagement von LPOs, falls erforderlich, würden ein elektrisch leises Gerät bereitstellen.
Sie können Ihren Aufwärtswandler periodisch ein- und ausschalten. Zum Laden eines großen Pufferkondensators einschalten, zum Messen ausschalten. Es wird empfohlen, einen rauscharmen LDO einzufügen.
Sie werden viele Schaltungen haben. Um die magnetische Kopplung zu vermeiden, benötigen Sie Nullflächenschleifen und eine präzise 90-Grad-Ausrichtung und/oder Abschirmung. Nullbereichsschleifen treten nicht auf; unten ist das Ergebnis mit 4 cm x 1 cm Schleifen.
Untersuchen wir das Grundrauschen der Magnetfelder, die von diesem Umschalter an die ADC-/Eingangsschaltung gekoppelt werden.
Angenommen, der Umschalter erzeugt [0,1 Ampere in 10 Nanosekunden] Transienten.
Angenommen, der Umschalter ist 4 cm vom ADC/Eingang entfernt.
Angenommen, der ADC / Eingang hat einen gefährdeten Bereich (Spur + schlampiges GND-Denken) von 4 cm x 1 cm.
Was ist die induzierte Spannung?
Verwenden Sie Vinduce = [MU0 * MUr * Fläche / (2 * pi * Abstand) ]* dI/dT
Vinduce = 2e-7Henry/Meter * Fläche/Entfernung * dI/dT
Vinduce = (2e-7Henry/Meter * 4cm * 1cm /4cm) * 1Meter/100cm * dI/dT
Vinduce = 2e-7 * 1e-2 * 10^+7 Ampere/Sekunde = 2e-9 * 1e+7 = 0,02 Volt
Vinduce = 20.000 Mikrovolt
Topologie ist: langer gerader Draht mit 0,1 Ampere in 10 Nanosekunden
gelegen
4cm ab
ADC/Eingang mit 4 cm x 1 cm anfälliger Schleifenfläche
ohne Abschirmung; Sie benötigen eine Abschirmung von 86 dB
Übrigens spezifizieren ADCs mit interner Referenzerzeugung nicht ihre Hochfrequenzunterdrückung von VDD-Müll.
Dazu habe ich nach Möglichkeiten gesucht, einen DC/DC-Aufwärtsregler zu verwenden.
Falls Sie es vergessen haben, werfen Sie einen Blick auf die GPIO-Pin-Struktur und Sie werden sehen, wie ähnlich sie einem Halbbrückentreiber ist :)
als solche zwei andere Möglichkeiten, dies anzugehen:
1) Verwandeln Sie einen GPIO-Pin in einen Aufwärtswandler;
2) Da der Stromverbrauch recht gering ist, verwenden Sie eine Ladungspumpe - Sie können eine konstruieren, indem Sie einen GPIO-Pin in einen Rechteckwellengenerator verwandeln.
Die Welligkeit kann über ein Komparatorperipheriegerät oder ein ADC-Peripheriegerät oder durch Parametrisieren der ADC-Referenz verwaltet werden, sofern dies möglich ist.
Abaldur
Glenn W9IQ