高性能、低功耗太阳能衡器SoC方案

低功耗太阳能衡器设计要点

对 于使用传统电池供电的衡器产品而言，通常受体积和成本限制，如果采用太阳能电池板，其面积必然有限，从而限制了太阳能电池板的供电电量。此外，太阳能电池 板发电量低(室内μA级)，并存在随着光线强度的差异电流不稳定的问题。因此，使用太阳能电池板供电的衡器解决方案需要解决以下问题：增加储能电路，让太 阳能电池板发出的电量储存起来(在200流明下，一般只能提供几十μA电流)；降低功耗，整机关机和工作电流分别均需在nA、μA级。

电 子衡器耗电量大的主要是传感器、ADC、MCU三大块。为此，通常的解决方案需要采用以下方法来实现整体低功耗特性：对传感器采用间歇供电或脉冲供电来降 低传感器用电功耗；采用高阻应变传感器；提高ADC输出速率，减少每次采样时间从而降低采样功耗；提高ADC有效位，以在高速下保证衡器精度；提高SoC 运行速度以降低每MHz的功耗；降低LCD驱动电路功耗；提高集成度，减少外围器件。

芯海科技推出的高精度24位ADC芯片 CS1242填补了国内中高端电子衡器芯片领域的空白。在满足高精度需求的同时，该公司针对当前低功耗应用的发展趋势，推出了具有极佳低功耗特性的 CSU11系列衡器SoC芯片，最大的优势是同时满足了自动上秤人体秤、太阳能人体秤对低功耗的要求，以及口袋秤对高精度的要求。该系列产品综合考虑了上 述低功耗设计因素，实现了极佳的低功耗特性，利用CSU11系列SoC设计的自动上秤人体秤，平均待机功耗可以低至3μA以下，太阳能人体秤称重电流 20μA以下，口袋秤分度可以达到三万分之一。

CSU11系列SoC集成了8位RISC MCU，4K*16 OTP(可作为用户数据PROM)、256 RAM、4*18 LCD，以及16个I/O口(除了这16个I/O口外，所有的“Seg”口均可复用为输出，令IO总数最多达到26个)，双通道高速、高精度ADC，最高 数据输出速率为16kHz(精度为12位，增益为32)，最高精度达到18位(增益为128，速率为32Hz)。为了能够在一个芯片上同时满足低功耗和高 精度的要求，CSU11系列SoC还提供了“功耗-精度-速度”相互平衡的选项，即用户可以通过配置较低的ADC工作电流来实现低功耗，但此种情况下线性 度较差，只能够用于5000点以下的秤，也可以配置较大的工作电流来实现30,000分度的精度和线性度，为方案工程师进行多种类型的方案开发提供便利， 只需要在配置上稍作改动，就可以满足不同的市场需求。

太阳能人体秤的出现，主要是为了避免普通电池对环境的危害，达到环保的 目的。但是，目前市面上的太阳能人体秤需要昂贵的传感器和PS08主芯片。高昂的造价成本极大地限制了太阳能人体秤的市场占有率。CSU11系列提供了专 门为太阳能人体秤而设计的特性，设计时使用1KHz的AD输出速率，使用第四笔AD采样值。每秒钟称重一次，则所需的动态功耗为4次*2.5mA* (1/1000秒)=10μA，LCD显示所需的功耗为5μA(驱动电路工作电流)+5μA(玻璃消耗)=20μA。

目前， 国内某大型衡器企业已经成功利用CSU1101B芯片开发了太阳能电子秤产品，并实现了批量生产，已经成功实现对欧美市场批量出口。该产品的平均工作电流 小于等于25μA，在55流明光照强度下就可以起秤，完全可以适用于包括浴室在内的各种室内环境。其精度达到2,000分度，具有自动开机功能，关机平均 电流低于3μA。

提高系统性能的设计建议

目前，太阳能电子秤定位高端市场，并以出口欧美地区为主，为提高整机性能以及应对欧美地区严格的电磁兼容测试等相关标准，对基于CSU11系列SoC的产品设计给出如下建议，此类设计实践对基于芯海科技的其他SoC以及一般的电子产品设计均有现实的指导意义：

1. 提高产品抗ESD性能

对产品ESD性能最为重要的是产品外壳设计，必须尽可能地保证静电能量不引入到产品的PCB中。但是，按钮和电池仓有时在外壳设计中无法避免会被ESD事件所影响。所以，提升电路的ESD性能关键是要把按钮及电源部分的防ESD措施做好。

有可能暴露于ESD事件的按钮，需增加RC电路来引导ESD能量到地，一般电容取值为0.1μF，电阻取值为10K。按键周围最好能敷满地线(采用实心铺地，不要网格铺地)。

PCB上的电源接入点(电池仓与PCB之间的连线焊接点)附近，电源线焊点后必须紧接一个105电容(104电容亦可，但105电容可提高抗ESD上限)，此电容主要用于在电池仓开盖打ESD时，泄放静电能量到地。此处的地应该铺成一片大地。

除 上述两个措施之外，如果要进一步提高ESD性能，PCB上的地应尽可能地铺大片实心的地，不要使用网格铺地的方式。而且，地与地之间的连接要良好，切忌零 散地铺地和各块地之间使用细线连接的情况。此外，传感器的地线接法设计，也有利于提升抗ESD性能。原则上，传感器的地线焊点应尽可能靠近电源接入焊点， 以使静电能量无需经过板上绕线即到达传感器，从而减轻对芯片的冲击。

2. 提升AD性能

对于高 精度手掌秤，特别是两万点以上精度的手掌秤而言，电路及PCB设计至关重要，合理的设计可以有效提高整秤性能。传感器上的电容应尽量靠近芯片管脚，且走线 尽量等长平行。在AVDD与AGND之间，尽量靠近芯片的地方接一个105电容。在开发具有时钟功能的秤或者需要通信功能的秤时，通常需要使用外接晶振， 晶振要尽量接近芯片，走线平行，晶振底部不能走线，敷满地线。

本文小结

芯 海科技将高性能ADC与MCU集成的产品开发思路为衡器行业提供了极具竞争性的解决方案，目前相关IC在国内超过千家企业中得到广泛应用，低功耗的太阳能 电子称解决方案的推出顺应了当前全球低碳经济发展的大趋势。本文介绍的CSU11系列芯片日前获得《电子工程专辑》2010年度热门产品奖，再次彰显了创 新的产品设计思路和高性价比特点。事实上，除了太阳能衡器应用，CSU11XX系列还广泛适用于工业过程控制、液体/其他化学分析、便携式产品、智能变换 器、太阳能人体秤、便携式医疗设备智能电表等工业应用领域。为缩短客户的产品面市时间并降低研发成本，芯海科技从产品上市之初就以“IC+系统标准方案” 为终端客户或方案商提供应用支持，并提供成套的开发工具及丰富的应用软件包。

图1：CSU11系列内部CPU核功能框图。

作者：刘小灵

设计部总监

深圳市芯海科技有限公司