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(dòng)、電源設(shè)計(jì)和用戶界面設(shè)計(jì)幾個(gè)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(shí)，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(shí)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小；

2. 新型微控制器可以選擇較低的時(shí)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(shí)鐘頻率以及關(guān)斷機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。正是有了這四個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)鐘，以及微控制器有50%的時(shí)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(shí)序上。工作在32kHz時(shí)鐘頻率的微控制器仍然在60Hz電源的每個(gè)周期內(nèi)具有超過136個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)鐘，當(dāng)運(yùn)算完成后再回到低功耗狀態(tài)下的時(shí)鐘頻率。這種時(shí)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(dòng)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(gè)持續(xù)300μS時(shí)間的3mA偏置電流脈沖，就可以使可控硅在波形的整個(gè)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(dòng)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(gè)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(dòng)電路的微控制器。

LCD驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路在低功耗應(yīng)用中非常普遍，因此找到同時(shí)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(gè)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(dòng)，它只需要一個(gè)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(gè)部分包括一個(gè)或多個(gè)按鈕，每個(gè)按鈕都經(jīng)一個(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)候才使用弱上拉功能，也就是說，只有這時(shí)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(gè)CMOS微控制器、1個(gè)三端雙向可控硅、2個(gè)按鈕和6個(gè)LED。在這種情況下，整個(gè)設(shè)計(jì)的電流消耗約為10mA：TRIAC 3mA，每個(gè)LED 5mA(假設(shè)僅有一個(gè)點(diǎn)亮)，微控制器2mA。在電壓為5V時(shí)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(gè)10mA是正半周時(shí)的電源電流，另一個(gè)10mA為大電容充電的電流，用來在負(fù)半周時(shí)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(shí)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(dòng)器。其他外設(shè)包括EEPROM數(shù)據(jù)存儲器、捕捉/比較/PWM定時(shí)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(dòng)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(dòng)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。