與電池供電應(yīng)用相比較，交流電供電應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)似乎并不引起設(shè)計(jì)師的關(guān)注，實(shí)際上這類應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)也很重要，這涉及到系統(tǒng)的成本、散熱和可靠性等問題。本文分別通過從微控制器、可控硅驅(qū)動、電源設(shè)計(jì)和用戶界面設(shè)計(jì)幾個方面探討了交流電供電應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)思路。 

設(shè)計(jì)交流電供電應(yīng)用的難點(diǎn)并不是高電壓或危險(xiǎn)的大電流，而是如何為低電壓元器件提供簡單而高效的電源。通常，要為控制部分提供50毫瓦的功率，電源的功耗可能就要超過2～3W。熱損耗不僅增加了電源的成本，而且使機(jī)箱過熱。這也說明了為什么在設(shè)計(jì)低成本交流電供電的控制應(yīng)用時，充分利用每一種能夠降低功耗的特性和技術(shù)是如此重要。 

設(shè)計(jì)時要降低功耗首先要選擇正確的微控制器。盡管過去的CMOS微控制器聲稱是低功耗的，但只有針對電池供電設(shè)計(jì)的新型低功耗微控制器才能提供有效的電源管理。這些新型微控制器所具備的一些特性可以顯著降低設(shè)計(jì)中的電流消耗，這些特性包括：

1. 新型低功耗微控制器專門針對小電流工作而進(jìn)行了優(yōu)化，因此比過去的CMOS微控制器消耗的電流?。?

2. 新型微控制器可以選擇較低的時鐘頻率，從而可以進(jìn)一步降低電流消耗；

3. 新型微控制器工作電壓更低，也降低了電流消耗；

4. 新型微控制器的休眠模式可以大大降低電流消耗。

事實(shí)上，所有這些新特性在為電池供電應(yīng)用設(shè)計(jì)的新型微控制器系列中是很常見的，Microchip的納瓦技術(shù)微控制器就是這種新型低功耗微控制器。該系列微控制器是專門為減小電流消耗而設(shè)計(jì)的，主要通過降低工作電流、選用較低的時鐘頻率以及關(guān)斷機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。正是有了這四個特性，通過采用新型低功耗納瓦技術(shù)，使微控制器工作在3V電壓和32kHz時鐘的情況下，電流消耗將從過去CMOS微控制器的1～2mA降到18μA以下，而且有一半時間都處于睡眠狀態(tài)。

需要特別指出的是，電流的降低主要?dú)w功于采用了32kHz時鐘，以及微控制器有50%的時間都處于睡眠模式。常見的問題是：“這些特性是否會對設(shè)計(jì)造成局限呢？” 

答案是否定的。典型的交流電供電應(yīng)用工作在60Hz左右(美國標(biāo)準(zhǔn)，中國為50Hz)的交流電頻率時序上。工作在32kHz時鐘頻率的微控制器仍然在60Hz電源的每個周期內(nèi)具有超過136個指令周期。如果微控制器僅僅需要在60Hz交流電源的過零點(diǎn)之后延遲適當(dāng)?shù)臅r間來觸發(fā)三端雙向可控硅(TRIAC)的話，這足夠了。對于微控制器來說，唯一對時間有嚴(yán)格要求的部分是用戶接口。但即使是這一功能的操作時間也在數(shù)十至數(shù)百毫秒的范圍。因此，很少情況下會需要快速時鐘或更多的指令周期。

然而，如果微控制器確實(shí)需要較高的速度，那么通常通過軟件來控制可變時鐘結(jié)構(gòu)。這意味著微控制器可以根據(jù)當(dāng)前任務(wù)來選擇自己的時鐘。如果僅僅是監(jiān)視按鈕狀態(tài)和等待過零點(diǎn)，那么可以運(yùn)行在節(jié)能的32kHz時鐘頻率。如果需要完成復(fù)雜的浮點(diǎn)計(jì)算，那么只需采用較高頻率的時鐘，當(dāng)運(yùn)算完成后再回到低功耗狀態(tài)下的時鐘頻率。這種時鐘頻率的自我控制使微控制器可根據(jù)需要控制電流消耗，適應(yīng)可能遇到的任何情

窄脈沖驅(qū)動可控硅 

由于三端雙向可控硅的鎖定特性和雙向開關(guān)功能，交流電源的開關(guān)經(jīng)常采用三端雙向可控硅器件。遺憾的是，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忘記了TRIAC的鎖定特性能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)帶來的好處。三端雙向可控硅通過的電流一旦超過最小維持電流，TRIAC就會鎖定，控制端的偏置電流就可以停止，從而可以大大節(jié)省電流。事實(shí)上，對于敏感的三端雙向可控硅器件來說，只要在可控硅的控制端加一個持續(xù)300μS時間的3mA偏置電流脈沖，就可以使可控硅在波形的整個半周期內(nèi)導(dǎo)通。而3mA的電流脈沖平均到60Hz半周期內(nèi)，實(shí)際上相當(dāng)于不到100μA的持續(xù)電流。因此，與傳統(tǒng)的控制三端雙向可控硅的方案相比，采用窄脈沖驅(qū)動可控硅可以節(jié)約幾乎96%的電流。

用戶界面 

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常采用小電流LED用于用戶界面指示。然而，每個LED的電流消耗可達(dá)1～5mA。對于需要以微安為單位來考慮電流消耗的設(shè)計(jì)，這種方案顯然不可行。解決方法仍然是采用低功耗微控制器。具體來說就是采用內(nèi)置LCD驅(qū)動電路的微控制器。

LCD驅(qū)動電路的電流消耗典型值為30～40μA，此外還需要100～200μA的電流來產(chǎn)生顯示屏需要的偏置電壓。與單LED消耗1～5mA電流相比，LCD的優(yōu)點(diǎn)非常明顯。LCD不僅消耗電流小，而且為設(shè)計(jì)人員提供了靈活和用戶友好的顯示界面。由于LCD驅(qū)動電路在低功耗應(yīng)用中非常普遍，因此找到同時集成LCD外設(shè)和低功耗模式的芯片并不困難。事實(shí)上，PIC16F91X系列除了具有Microchip的納瓦技術(shù)低功耗特性外，還帶有LCD外設(shè)，以及多種其他外設(shè)。 

LCD顯示經(jīng)常被攻擊的一個缺點(diǎn)是在弱光條件下看不清楚。解決方法非常簡單，只要增加背光就可以提高顯示對比度。有人可能要問：“增加背光不會增大電流消耗嗎？”如果采用LED背光，那么設(shè)計(jì)的電流消耗肯定會增大。然而，LCD顯示采用電致發(fā)光(EL)背光就可以避免這一問題，因?yàn)?/span>EL背光板可以直接利用110V交流電源驅(qū)動，它只需要一個小的限流電阻。因此，EL背光對于低電壓部分的電流消耗沒有影響。

用戶界面的另一部分是按鈕輸入。傳統(tǒng)上，這個部分包括一個或多個按鈕，每個按鈕都經(jīng)一個上拉電阻與微控制器的數(shù)字輸入引腳連接。盡管上拉電阻所消耗的電流對于減少整個設(shè)計(jì)的電流消耗似乎沒有多大影響，但PIC16F91X系列這樣的低功耗微控制器所提供的“弱上拉”功能也能夠提供一些幫助。這些內(nèi)部弱上拉電阻提供了類似的電流源，但免去了外部電阻的成本。同時，還可以通過軟件禁止或利用弱上拉功能，僅在微控制器實(shí)際讀取按鈕狀態(tài)的時候才使用弱上拉功能，也就是說，只有這時上拉電阻才會消耗電流。

電源設(shè)計(jì) 

本文開始就指出，低功耗微控制器可大大減小電流、降低功耗和成本。比較的對象是典型的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)：1個CMOS微控制器、1個三端雙向可控硅、2個按鈕和6個LED。在這種情況下，整個設(shè)計(jì)的電流消耗約為10mA：TRIAC 3mA，每個LED 5mA(假設(shè)僅有一個點(diǎn)亮)，微控制器2mA。在電壓為5V時提供這么大的電流，電源將需要消耗2.4W功率。

2.4W=(110VAC－5VDC)*(10mA+10mA+3mA)

第一個10mA是正半周時的電源電流，另一個10mA為大電容充電的電流，用來在負(fù)半周時為電路提供電流，最后的3mA是穩(wěn)壓二極管的偏置電流。 

利用前面討論的減小電流措施，采用低功耗微控制器實(shí)現(xiàn)的類似設(shè)計(jì)其電流消耗還不到400μA：TRIAC平均電流為100μA，LCD為240μA，微控制器為18μA。提供該電流的電源功耗只有140mW，與傳統(tǒng)基于CMOS微控制器的設(shè)計(jì)相比，電源功耗降低了2.25W。

140mW=(110VAC-3VDC)*(400μA+400μA+500μA)

由于功耗很低，因此可以利用1/4W電阻來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電源中3～4W的電阻，還可以使用功率更小的穩(wěn)壓二極管(偏置電流僅500μA)。最后，大電容的容量也減小到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的1/7。最終的設(shè)計(jì)既節(jié)約了成本，還提供了更易于使用和對用戶更有吸引力的顯示屏。

PIC系列微控制器 

基于閃存的低功耗8位微控制器系列采用多種納瓦技術(shù)來降低功耗，包括更低的工作電流、時鐘頻率控制以及休眠模式。此外，PIC16F91X系列微控制器還提供弱上拉和LCD顯示驅(qū)動器。其他外設(shè)包括EEPROM數(shù)據(jù)存儲器、捕捉/比較/PWM定時器功能、10位ADC模塊、比較器以及多種硬件串行通信外設(shè)。低功耗特性和豐富的外設(shè)可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員減少所需的外部元器件，從而降低系統(tǒng)功耗,提高可靠性和性能，并最大限度地降低成本。

本文小結(jié) 

在生活中越來越普及的電池供電應(yīng)用為我們帶來了更多好處，就連低功耗、低成本這樣的要求也是此類應(yīng)用推動的結(jié)果。眾所周知，基于微控制器的控制能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供更大的設(shè)計(jì)自由度和靈活性。事實(shí)上，電池供電應(yīng)用推動的低功耗微控制器及其豐富功能對于成本敏感的交流電供電應(yīng)用也非常有幫助。