电路笔记 CN-0372 连接/参考器件 Circuits from the Lab® reference designs are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0372. AD7091R-5 4通道、I2C、超低功耗、12位ADC ADP5090 集成MPPT和电荷管理功能的超低 功耗升压调节器 ADA4805-1 0.2 μV/°C失调漂移、105 MHz低功耗、 低噪声、轨到轨放大器 ADP1607 2 MHz、同步升压DC-DC 转换器 具有能量采集电路和报警功能的超低功耗、通用型、多通道数据采集系统 评估和设计支持 电路功能与优势 电路评估板 CN-0372电路评估板(EVAL-CN0372-PMDZ) 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) SDP-I-PMOD转接板(SDP-PMD-IB1Z) 设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单 图1中的电路是一个超低功耗、多通道数据采集系统，可采 用光伏(PV)电池或热电发生器(TEG)供电。该电路采用业界 功耗最低、多通道、12位逐次逼近型模数转换器(SAR ADC) AD7091R-5，以及基于升压调节器ADP5090的高效能量采集 电路。采样速率为22 kSPS时，ADC典型功耗为100 µW，电源 为3 V。对于1 kHz输入信号而言，典型信噪比(SNR)为68 dB。 这些器件组合具有低功耗和小尺寸的特点，适合便携式低 功耗应用，尤其适合可穿戴和自供电设备。 Rev. 0 Circuits from the Lab® reference designs from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoeverconnectedtotheuseofanyCircuitsfromtheLabcircuits. (Continuedonlastpage) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. www.analog.com Tel: 781.329.4700 Fax: 781.461.3113 ©2015 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0372 PHOTOVOLTAIC CELL PIN ADP5090 2.2µH SW SYS COLD-START CHARGE PUMP VIN ADP1607 MPPT 1 BAT CBP MPPT CONTROL + RECHARGEABLE BATTERY OR – SUPERCAPACITOR BOOST REGULATOR CIN 10µF R1 2 EN TO MCU PGOOD VDD VOUT 6 ON OFF MINOP SW 5 VIN GND FB 3 4 R2 COUT 10µF REF DIS_SW FROM MCU OPTIONAL PRIMARY BATTERY BACK_UP CHARGE CONTROL AND POWER PATH MANAGEMENT OPTIONAL SUPPLY SETSD SETPG + – VDD TERM AGND PGND ADA4805-1 MUXOUT MUXOUT ADCIN REFIN/ REFOUT VDD ADCIN REGCAP OPTIONAL BUFFER 2.5V VREF VIN0 12-BIT SUCCESSIVE APPROXIMATION ADC VIN1 ANALOG INPUTS VIN2 INPUT MUX T/H VIN3 ON-CHIP OSC RESET CONVST/GPO1 CHANNEL SEQUENCER CONTROL LOGIC I2C INTERFACE SDA SCL AS0 AS1 AD7091R-5 GND ALERT/BUSY/ GPO2 GPO0 GND 13582-001 VDRIVE 图1. 集成能量采集电路的低功耗数据采集系统(原理示意图： 未显示所有连接和去耦) 电路描述 AD7091R-5具有自循环模式，允许用户将ADC配置为自治 该电路为多通道系统监控提供了经过优化的低功耗紧凑型 工作，适合用来监控超出用户定义范围的事件。该器件可 解决方案。 这些特性对于尺寸和功耗属于关键系统规格的 在配置的时间间隔下自动转换，具体参见AD7091R-5数据 可穿戴和自供电应用而言尤为重要。 手册中的表25。通常使用这种模式来监控选定的通道，其 中限值寄存器设置为通过报警功能提示超量程情况。 模数转换器 AD7091R-5是一款12位、超低功耗、逐次逼近型ADC。该 能量采集器 器件采用2.7 V至5.25 V单电源供电。 该ADC具有片上转换 ADP5090是一款集成式升压调节器，可转换光伏电池或热 时钟、精密基准电压源和I C接口，可采用标准(fSCL = 100 kHz) 电发生器的直流电源。CN-0372板使用超级电容，能为小 2 和快速(fSCL = 400 kHz)两种模式工作。 型电子器件和无电池系统供电。ADP5090能为从PV电池或 AD7091R-5接口允许转换后进行数据读取，在快速模式下 具有最高22.22 kSPS吞吐速率。转换过程与数据采集利用I2C 接口和内部振荡器进行控制。该器件采用先进的设计和工 TEG采集的少量能量提供高效率转换。ADP5090采用范围 为16 µW至200 mW的输入电源工作，功耗为亚μW级别。 该 器件为储能元件(可充电电池或超级电容)充电。 艺技术，可实现极低的功耗，而性能则不受影响。 REFIN/REFOUT引脚提供片上2.5 V精密基准电压源。 Rev. 0 | Page 2 of 11 CN-0372 利用内部冷启动电路，调节器可在低至380 mV的输入电压 AD7091R-5可访问多路复用器输出，在需要额外滤波的场 下启动。该解决方案无需外部电池即可为电路供电(虽然也 合下，无需为每个通道采用信号调理电路。当前转换通道 提供了备用电池选项)，并可最大限度利用可采集能源。 的输入信号出现在MUXOUT。ADC VIN引脚之前的滤波器截 止频率约为8.6 MHz。这些滤波器可衰减ADC输入端的噪 ADP5090的SYS电压输出为整个电路供电，如图1所示。 声，并吸收ADC的电荷反冲。建议使用低串联等效电阻以 电路设计 及尺寸合理的电容，可输出和吸收来自ADC的高频电荷 图2中的电路显示AD7091R-5 ADC所需的最小连接。 反冲。 AD7091R-5的模拟输入范围为单极性0 V至VREF。该电路不支 如果无需额外的滤波或信号调理，则将MUXOUT引脚直接 持负电压。虽然AD7091R-5集成宽带宽采样保持放大器并 连接ADCIN。通过I2C兼容串行总线控制AD7091R-5。 且可处理最高1.5 MHz的输入频率，但该电路经过测试，在 快速模式下可解析最高2 kHz的较低频率。 图3显示了ADP5090能量采集电路。 该电路转换来自与J4 端子相连的能量源，并将电荷存储在超级电容(C26)中，然 13582-002 后向整个电路供电。 图2. CN-0372 ADC连接(原理示意图： 未显示所有连接) Rev. 0 | Page 3 of 11 CN-0372 RPG1 RTERM1 RSD2 RPG2 RTERM2 13582-003 RSD1 图3. CN-0372能量采集电路 从 P V 电 池 或 T E G 采 集 的 能 量 输 入 E N E RG Y _ I N 。 当 ADP5090还配备了电池过充电和放电保护阈值，同样由外 ENERGY_IN超过380 mV时，ADP5090便冷启动。然后， 部电阻设置。 器件退出冷启动，当SYS电压超过VSYS_TH，通常为1.93 V，启 为了防止过充电，电池终端电压的上升阈值为： 动主升压。PGOOD上的逻辑高电平等于SYS电压，当达到 R 3 VBAT _ TERM = VREF _ ADP 5090 1 + TERM1 , ~ 3.3 V 2 R TERM2 电池终端电压时，主升压充电器关断。 ADP5090升压调节器采用脉冲频率模式(PFM)工作，将保 存在输入电容中的电能传输至SYS和C26超级电容(Cellergy CLG03P050F17，50 mF，3.5 V)。PGOOD阈值由外部连接器 设置，表示SYS电压位于可接受电压水平，即： VSYS _ PGOOD 其中，RTERM1和RTERM2是图3中的数值。 为了防止深度放电，电池放电关断电压的下降阈值为： R VBAT _ SD = VREF _ ADP 5090 1 + SD1 , ~ 3.3 V RSD2 R = VREF _ ADP 5090 1 + PG1 , ~ 3.3 V R PG2 其中： RPG1和RPG2是图3中的数值 VREF_ADP5090典型值为1.21 V。 其中，RSD1和RSD2是图3中的数值。 这些阈值电压如图4所示。 Rev. 0 | Page 4 of 11 CN-0372 MAXIMUM DEVICE RATING VOLTAGE TURN OFF MAIN BOOST MAIN BOOST CHARGER OFF VBAT_TERM INCREASING SYS VOLTAGE VBAT_TERM_HYS PGOOD BECOMES HIGH VBAT_PG_HYS VBAT_PG MAIN BOOST IN SYNCHRONOUS MODE TURN ON SWITCH BETWEEN BSTO AND BAT MAIN BOOST CHARGER ON VBAT_SD_HYS VBAT_SD VSYS_TH ENABLE CHIP COLD-STARTUP 0V 图5. CN-0372交流性能 13582-004 VSYS_TH 13582-005 TURN ON MAIN BOOST IN ASYNCHRONOUS MODE 图4. 各种阈值电压状态 图3中的电路可通过SL7提供低能量状态备用选项，以加速 冷启动。 有关完整文档包，包括原理图、电路板布局和物料清单(BOM)， 请参考：www.analog.com/CN0372-DesignSupport。 该电路 兼容Digilent PMOD接口标准。 带能量采集电路的DAS测量结果 该电路支持图形用户界面，可方便地进行板上的器件配置， 并评估电路性能。选项卡可执行器件配置以及显示噪声性 13582-006 能、直方图和寄存器读取。有关软件包的完整描述，请参 见CN-0372软件用户指南。 图5和图6显示了电路的交流性能，其配置采用MUXOUT直 接连接ADCIN，在1.25 V共模电压下具有2.4 V p-p、1 kHz正 弦波。虽然默认配置可在SYS上生成3.3 V电源，本电路笔记中 所有测量均采用针对3 V电源配置的外部电阻完成。 图6. CN-0372交流性能完整总结 功耗通过以下公式计算： P T = IT × V S 其中： PT是总消耗电能。 IT是总电流消耗，测量VDD串联输出电流。 VS是VDD端的电源电压。 电路未配置缓冲器，且VDD和VDRIVE来自SYS，功耗为34 µA。 Rev. 0 | Page 5 of 11 CN-0372 常见变化 提供所需的一切增益、衰减或电平转换功能。如图8所 板上提供使用ADA4805-1的MUXOUT外部缓冲选项，以及使 示，控制ADA4805-1 SHUTDOWN引脚可让用户动态管理功 用备用电池为板载ADP1607调节器供电的选项，生成电路 耗。通过评估软件调节SHUTDOWN信号占空比可大幅降 板供电轨。ADA4805-1消耗约为500 µA静态电流，但具有 低功耗。 关断和根据吞吐速率调节的选项。 图7显示了板载可选缓冲器电路。使用时，移除R6，SL9和 SL12设为位置B，SL13设为位置A，并安装R43。该电路还 13582-007 SHUTDOWN 图7. 可选缓冲器电路 SAMPLING FREQUENCY = 22kHz ADC MODE ACQUISITION CONVERSION POWERED ON ADA4805-1 SHUTDOWN ACQUISITION SHUTDOWN CONVERSION POWERED ON ACQUISITION SHUTDOWN CONVERSION POWERED ON SHUTDOWN tAMP, ON MIN. POWERED ON TIME = 3µs 3µs 3µs Vf3 Vf1 Vf2 tf1 tTURNOFF1 tf2 tTURNOFF2 图8. 采用ADA4805-1进行动态功耗调节 Rev. 0 | Page 6 of 11 tf3 tTURNOFF3 13582-008 ADA4805-1 OUTPUT CN-0372 有关通过评估软件控制ADA4805-1功耗调节功能的更多详 情，请参考CN-0372软件用户指南。 13582-010 采用功耗调节，则功耗的计算公式变为： 其中： 图10. 可选调节器电路 PT是总消耗电能。 输出电压由R28和R29外部电阻配置为3 V，使用的公式 IQ是静态电流。 如下： tAMP, ON是ADA4805-1导通的时间。 tS是采样时间。 VDD和VDRIVE来自SYS时，使用ADA4805-1并动态供电的 其中： 总系统功耗低至70 μA，且无性能下降，如图9所示。 VFB = 1.259 V 表1显示了不同配置下电路的典型功耗。 IFB = 0.1 μA. 表1. 不同配置下的功耗 电路评估与测试 配置 无缓冲器放大器 AD7091R-5完全关断 AD7091R-5完全关断，无内部基准 电压源 缓冲器放大器始终导通 AD7091R-5完全关断 AD7091R-5完全关断，无内部基准 电压源 采用缓冲器放大器进行动态功耗调节 电流(μA) 34 13.4 0.5 EVAL-CN0372-PMDZ板包含要评估的电路。本电路采用 530 520.4 507.3 EVAL-CN0372-PMDZ板采用12引脚PMOD接口2A类和8引 参见图9 结果呈现给用户。 EVAL-CN0372-PMDZ电路板、SDP-PMD-IB1Z转接板和 EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)板。PMOD转接板和 SDP控 制 器 板 采 用 120引 脚 对 接 连 接 器 。 转 接 板 和 脚I2C接口对接连接器，可快速设置和评估电路性能。 SDP控制器板配合CN0372评估软件使用，可捕捉数据并将 表2. PMOD接口2A类连接 不同占空比下的系统典型性能和功耗，如图9所示。 引脚编号 信号 1 CONVST/GPO1 DUTY CYCLE vs. THD DUTY CYCLE vs. CURRENT CONSUMPTION DUTY CYCLE vs. SNR 2, 3, 4 5, 11 6, 12 7 8 9 NC GND VDD_PMOD ALERT RESET PMOD_GPIO1 71.5 10 PMOD_GPIO2 66.5 表3. I2C接口连接 86.5 400 81.5 300 76.5 200 100 0 0 20 40 60 80 100 DUTY CYCLE (%) ABSOLUTE VALUES (dB) 500 13582-009 CURRENT CONSUMPTION (µA) 600 图9. 快速模式下，不同占空比的功耗和交流性能 图10显示了ADP1607可选电路，可通过SL7配置为通过B3 备用电池供电，如图3所示。 引脚编号 1, 2 3, 4 5, 6 7, 8 Rev. 0 | Page 7 of 11 信号 SCL SDA GND VDD_PMOD 描述 连接AD7091R-5 CONVST/GPO1引脚。 不连接。 连接到GND。 连接到PMOD电源。 连接到AD7091R-5 ALERT引脚。 连接到AD7091R-5 RESET引脚。 连接到ADA4805-1 SHUTDOWN 引脚。 还通过SL2连接到 ADP5090 DIS_SW引脚。 连接到ADP5090 PGOOD引脚。 描述 连接到AD7091R-5 SCL引脚 连接到AD7091R-5 SDA引脚 连接到GND 连接到PMOD电源 CN-0372 设备要求 开始使用 需要以下设备： 将电路板连接到PC前，安装CN0372评估软件。评估软件 • 带USB端口和Windows® XP、Windows Vista®(32位)或 的最新版本可从以下地址下载： Windows 7(32位)PC ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0372。按照屏幕提示完成安 • EVAL-CN0372-PMDZ电路评估板 装。建议将所有软件安装在默认位置。 • EVAL-SDP-CB1Z SDP控制器板 • SDP-PMD-IB1Z转接板 以需要的调节器配置连接EVAL-CN0372-PMDZ，并将电路 • 8引脚IDSD-04-D柔性电缆：需要在EVAL-CN0372-PMDZ 评估板连接到SDP-PMD-IB1Z转接板。 将EVAL-CN0372-PMDZ板上的I2C接口通过8引脚柔性电缆 和SDP-PMD-IB1Z板之间(包括EVAL-CN0372-PMDZ板) 连接I2C接口。 连接到SDP-PMD-IB1Z转接板。 • CN0372评估软件 将SDP-PMD-IB1Z板连接到EVAL-SDP-CB1Z控制器板。对 • 电源：6 V壁式电源适配器 SDP-PMD-IB1Z板施加电源，并将EVAL-SDP-CB1Z SDP控 • USB电缆 制器板通过提供的USB电缆连接PC。打开评估软件，开始 • SRS DS360超低失真函数发生器或类似的精密源 评估。 • Cymbet CBC-PV-01 PV电池：典型工作电压为0.8 V， EVAL-SDP-CB1Z相关信息可参阅SDP用户指南(UG-277)。 输出电流大约为200 µA(200 Lux荧光灯) 功能框图 图11显示了用于电路评估的测试设置功能框图。 CYMBET PHOTOVOLTAIC CELL J4 OPTIONAL ADP1607 REGULATOR CIRCUIT ADP5090 6V WALL WART HARVESTING CIRCUIT USB J1 VIN0 VIN1 VIN2 AD7091R-5 J3 INTERPOSER BOARD SDP CONTROLLER BOARD SDP-PMD-IB1Z EVAL-SDP-CB1Z VIN3 OPTIONAL AD4805-1 BUFFER PC WITH CN0372 EVALUATION SOFTWARE 120-PIN CONNECTOR J2 8-PIN I2C EVAL-CN0372-PMDZ 图11. 测试设置框图 Rev. 0 | Page 8 of 11 13582-011 MODEL DS360 FUNCTION GENERATOR CN-0372 表4. VDD选项 电源配置 将低功耗、高阻抗直流源(比如Cymbet CBC-PV-01 PV电池 或TEG)连接到J4端子，将SL4和SL5放在位置A，然后打开 评估软件。 这样可以将ADP5090能量采集电路用作系统电 VDD ADP5090 SYS ADP1607 VOUT SL5 A B 焊接链路位置 SL7 A B SL3 A B 不连接 焊接链路位置 SL4 B B A 源。 有关完整的电源选项请参见表4和表5. 表6包含EVAL-CN0372-PMDZ上所有焊接链路的完整描述。 表5. VDRIVE选项 VDRIVE ADP5090 SYS ADP1607 VOUT VDD_PMOD 表6. 链路选项 链接 SL1 默认值 A SL2 A SL3 A SL4 A SL5 A SL6 开路 SL7 A SL8 B SL9 B SL10 A SL11 A SL12 B SL13 A 描述 该链路配合SL7使用，将A连接到中心。 A到中心，连接ADP5090 BACK_UP引脚至CR2302电池。 B到中心，连接ADP5090 B_CHRG引脚至靠近超级电容的R36。 该链路选择ADP5090 DIS_SW引脚连接。 A到中心，连接ADP5090 DIS_SW引脚至地。 B到中心，连接ADP5090 DIS_SW引脚至PMOD_GPIO1(J3引脚9)。 该链路选择VDRIVE连接，以及SL4。 A到中心，连接ADP5090 SYS引脚至VDRIVE。 B到中心，连接ADP1607 VOUT引脚至VDRIVE。 该链路选择VDRIVE源。 A到中心，连接VDD_PMOD至VDRIVE。 B到中心，通过SL3连接VDRIVE到ADP1607或ADP5090输出。 该链路选择VDD源。 A到中心，连接ADP5090 SYS输出至VDD。 B到中心，连接ADP1607输出至VDD。 SDP-I-PMOD未使用时，该链路选择VDD_PMOD源。 A到中心，连接ADP5090 SYS输出至VDD_PMOD。 B到中心，连接ADP1607输出至VDD_PMOD。 该链路选择CR2032电池路径。 A到中心，连接电池至SL1，作为备用(SL1连接A至中心)或为超级电容充电 (SL1连接B至中心)。 B到中心，连接电池至ADP1607 VIN引脚。 该链路用来选择ADP1607 EN引脚连接。 A到中心，连接EN至GND，并关断同步升压。 B到中心，连接EN至ADP1607 VIN引脚，并开启同步升压。 该链路选择MUXOUT连接。 A到中心，连接MUXOUT至ADA4805-1反相输入。 B到中心，连接MUXOUT至ADA4805-1同相输入(如果SL12位于位置B)。 该链路选择AS0连接。 A到中心，连接AS0至GND。 B到中心，连接AS0至VDRIVE。 该链路选择AS1连接。 A到中心，连接AS1至GND。 B到中心，连接AS1至VDRIVE。 该链路选择可选缓冲器。 A到中心，连接REF至ADA4805-1同相输入。 B到中心，连接MUXOUT至ADA4805-1同相输入(如果SL9位于位置B)。 该链路选择ADA4805-1 SHUTDOWN连接。 A到中心，连接SHUTDOWN至PMOD_GPIO1。 B到中心，连接SHUTDOWN至VDD源，在SL5中选择。 Rev. 0 | Page 9 of 11 CN-0372 设置与测试 电路板上电并初始化评估软件后，将ADC设为转换所需的 如需测试报警功能，可在评估软件的评估选项卡上设置下 通道。在J1端子引入输入信号，单击单次捕捉或连续捕 限或上限，然后观察设置范围外的LED报警指示器。 13582-012 捉，然后观察结果。 图12. EVAL-CN0372-PMDZ PCB照片 Rev. 0 | Page 10 of 11 CN-0372 了解详情 数据手册和评估板 CN-0372设计支持包： AD7091R-5数据手册 ADP5090数据手册 www.analog.com/CN0372-DesignSupport ADA4805-1数据手册 SDP用户指南，UG-277 AN-931应用笔记：了解PulSAR ADC支持电路，ADI公司。 Alan Walsh，精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器 设计，《模拟对话》杂志，第46卷第4期，ADI公司。 ADP1607数据手册 修订历史 2015年9月—修订版0： 初始版 I2C指最初由Philips Semiconductors(现为NXP Semiconductors)开发的一种通信协议。 (Continued from first page) Circuits from the Lab reference designs are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab reference designs in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab reference designs. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. 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