使用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器功能降低功耗的12種有效方法

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在降低設(shè)計功耗的過程中，您是否充分利用了微控制器（MCU）中集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的所有功能？這篇博文將帶您了解如何借助集成模數(shù)器實現(xiàn)更低的功耗。

在這篇博文中，我們將以MSP432P401R MCU中的ADC14（集成14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器）作為示例。低功耗應(yīng)用，以及減少高占空比應(yīng)用中的啟動時間都是ADC14設(shè)計過程中的考量要素。然而，各個應(yīng)用都有獨特的特點，因此，為最大限度地降低功耗，必須謹慎選擇ADC14的旋鈕或可編程性。

這篇博文重點講述MSP432™ MCU的一些關(guān)鍵特性，您可以通過這些特性自定義ADC14的功率和性能：

• 可選參考
• 快速啟動
• 可選時鐘源
• 電源模式
• 最低電壓1.62V
• 使用集成DC / DC驅(qū)動核心電壓
• 自動關(guān)機
• 內(nèi)部溫度傳感器，ADC采樣時間減少
• 8、10、12或14位可選，選擇最低位數(shù)可提高轉(zhuǎn)換速度，節(jié)省電池電量
• 窗口比較器發(fā)現(xiàn)相關(guān)信號之前，不必進行實際處理，甚至不必使用8位模式
• DMA 的模塊過程
• 使用定時器來觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換
  

可選參考

可選參考允許用戶選擇適合其性能的最小電流。如果電源穩(wěn)定，可將電源作為超低功耗參考。使用電源作為基準，意味著內(nèi)部參考無需電流，而且參考沒有啟動時間。

快速啟動

ADC14啟動快速，可進一步改進高占空比應(yīng)用的低功耗。ADC和時鐘（MODOSC或SYSOSC）的啟動時間很短。此外，在其緩沖器啟動前（參見設(shè)備數(shù)據(jù)表了解具體數(shù)值），作為低功耗的內(nèi)部參考首先啟動。由于不需要充電時間過長的外部電容器，因此緩沖器可快速建立。這樣，僅在使用的時候才需要打開緩沖器，而且外部電容器充電也需花費更長時間。

可選時鐘源

考慮時鐘選擇時，需要考慮系統(tǒng)級功率預算。在某些情況下，轉(zhuǎn)換更快的時鐘可節(jié)約能量。工作周期應(yīng)用可從具有快速啟動時間的MODCLK受益。用戶必須考慮增加不同時鐘源的電流可將ADC的啟動時間降至最低，并可節(jié)省凈功率。

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電源模式

電源模式（ADC14PWRMD位）按照最大采樣率調(diào)整電流消耗，主要是通過在選擇內(nèi)部參考時調(diào)整所用的緩沖器。與SYCOSC情況一樣，如果您在ADC14中使用較慢的時鐘，可以考慮將低功耗模式（ADC14PWRMD = 2）作為時鐘源（參見設(shè)備數(shù)據(jù)表了解具體的時鐘要求）。

當使用外部參考時，ADC14PWRMD設(shè)置之間的每次轉(zhuǎn)換的能量差壓與未使用參考緩沖器時一樣小。這種情況下，較慢的時鐘降低ADC的電流消耗，但需要更長時間才能完成。

使用內(nèi)部參考時，最低能耗模式取決于您的應(yīng)用。應(yīng)基于每個應(yīng)用考慮以下因素，包括：ADC無源時啟用低功耗模式的節(jié)能、采樣時間、轉(zhuǎn)換次數(shù)、時鐘或其它地方使用的參考、時鐘頻率、轉(zhuǎn)換次數(shù)等。對于采樣時間長的應(yīng)用，ADC采樣時間電流小于轉(zhuǎn)換電流，因此您看到的數(shù)據(jù)比數(shù)據(jù)表中的數(shù)值小。您可能需要做一些臺架測試，以了解您的應(yīng)用的ADC電流消耗。

使用具有最小采樣時間的內(nèi)部參考，并考慮MODOSC / SYSOSC的能量，單一ADC轉(zhuǎn)換的低功率模式能耗最低。但是，憑借連續(xù)五次或更多的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度開始占據(jù)主導，而帶更快時鐘的常規(guī)電源模式能耗最低。圖1對比了12位模式中兩個不同轉(zhuǎn)換次數(shù)的電源模式的能耗。

圖1

為了幫助您優(yōu)化系統(tǒng)，圖2中顯示了常規(guī)和低功耗模式中帶內(nèi)部參考的ADC14的兩種示例的電流分布。

圖2

全速運行過程中，當ADC14PWRMD = 2（200ksps最大值）或最小電源電壓為1.8 V時，ADC14支持最佳的1.62伏最小電源電壓。對于電池操作，如果可以使用低功率模式，可延長電池壽命并且仍然充分采樣信號。對于穩(wěn)壓電源，使用低電壓降壓轉(zhuǎn)換器可極大地提高所有電流源的效率，并降低從電源中牽引的電流。

能夠使用集成DC / DC驅(qū)動核心電壓

MSP432微控制器提供了一個集成DC / DC轉(zhuǎn)換器，可提高包括ADC14數(shù)字邏輯的核心電源效率。對于ADC14電流的數(shù)字段，DC / DC轉(zhuǎn)換器減少電流消耗。對于差分輸入，當使用DC/DC轉(zhuǎn)換器時，性能差異可忽略不計。對于單端輸入方式，這對70分貝對73分貝典型SINAD（信噪比和失真比）具有較小影響。如欲了解詳情，敬請參閱設(shè)備數(shù)據(jù)表，確保ADC14與DC / DC轉(zhuǎn)換器適用于您的應(yīng)用。

自動關(guān)機

ADC14具備自動關(guān)機功能，用戶無需任何操作，即可降低功耗。當ADC14停止轉(zhuǎn)換操作時，處理器將自動禁用，并在需要時自動重新啟用。時鐘源、MODOSC或SYSOSC也可自動啟用，在需要時為ADC14自動提供MODCLK或SYSCLK；ADC14或裝置的其余部分不需要時，也可對其禁用。ADC14 MODOSC / SYS OSC與內(nèi)部參考一起啟動，因此時鐘自動關(guān)閉不會造成影響。

通過設(shè)置ADC14REFBURST位，并將REFON位設(shè)置為0，內(nèi)部參考在樣品或轉(zhuǎn)換相之間不會自動斷電。

內(nèi)部溫度傳感器

內(nèi)部溫度傳感器設(shè)計的采樣時間要求比之前的MSP設(shè)備更短，以減少用于測量溫度的能耗。

最后四種防范在本系列第二和第三篇博文中有更詳細的介紹：

• 選擇所需的最小位數(shù)提高完成速度，節(jié)省能源。
• 使用窗口比較器，在您完成匹配、提高分辨率前，不必實際處理比較轉(zhuǎn)換值，甚至不用使用8位模式。
  
  • 使用DMA的模塊過程來減少資源的使用
  • 使用定時器來觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，以盡量減少所用資源
    
  
  

您可使用上述幾種功能在您的應(yīng)用中降低MSP432 MCU的ADC功耗？