在低功耗状态下断开 IC 的正确方法,以避免寄生/反馈电源

电器工程 力量 低电量 加载
2022-01-31 09:07:51

我正在开发一个基于 AVR 的低功耗电池项目,该项目集成了一些不同的设备,包括 neopixel strip 和Adafruit pixie当整个设备处于静止状态时,我希望它消耗小于 0.1mA 的电流,以最大限度地延长 LiPo 电池寿命。

我让这一切正常工作(测量为 0.035mA),但我不确定我是否一定以“正确”的方式做到了这一点,并且我计划基于此构建产品,所以我想把它做好。

在此处输入图像描述 (未显示:继电器的反激二极管)

我关心的核心问题是当 VCC 通过从数据引脚流出的电流断开时设备的“寄生”供电。例如,Pixie(通过串行通信)没有断电模式,即使“关闭”时也会消耗大约一毫安。所以我放了一个小继电器来断开它的 VCC,发现串行引脚实际上仍在为小精灵供电。其他地方的提示表明,许多芯片都有一个二极管将其数字输入引脚分流到 VCC 作为电源保护。为了解决这个问题,我不得不在睡眠期间暂停串行库和实际的 digitalWrite( PIN, LOW )。

与 WS2812b 条相同 - 断开 VCC 仍然允许设备从数据引脚供电。在其他设计中,当我用 N 沟道 MOSFET 断开 GND 时,我看到了相反的情况——电流通过数据线回流到地!(这必须通过 PJRC 上的帖子使用二极管来解决。) WS2812b 实际上每个都需要大约 1 毫安,即使在未点亮的情况下,

所以问题是:当混合中有数据引脚时,是否有一种通用的“干净”方法可以在系统睡眠期间将 VCC 和 GND 与项目的某些部分断开连接。最佳做法是什么?

一些想法:

  1. 强制 VCC 到 GND(不确定如何?Hbridge?)。(如果我这样做,高数据引脚会发生什么情况?)
  2. 在所有数据引脚和这些设备之间放置一个三态缓冲器,在睡眠期间将三态缓冲器置于高阻抗状态,仅与 P 或 N MOSFET 断开 VCC 或 GND
  3. 仅使用 N mosfet 断开 GND,并在所有数据引脚上放置二极管
  4. 是否有某种电源锁存器可以断开 VCC 和 GND 并将它们置于“高阻抗”状态(如电源的三态缓冲器?)这样电流就无法从数据线“流出”。

有人能告诉我处理这种“负载断开”问题的最干净、最可重复的方法吗?(不用说,我花了几个小时在谷歌上搜索这个问题,但运气不佳,虽然我确实找到了这个关于负载切换的技术说明,但它没有解决反馈和寄生电源)

4个回答

当我这样做时,我通常在受影响的数据线上使用CMOS 模拟开关。

ADG812之类的产品具有 4 个 SPST 开关通道,这些开关很容易适用于相当快速的逻辑,并在处于关闭状态时在开关节点之间提供非常高的阻抗。

ADG812断漏

这样做的好处是该技术适用于单向双向数据线。

这些部分也以灿烂的笑容运行:

ADG812 电源要求

断电的通常顺序:

  1. 关闭数据路径开关

  2. 断电域。

当然,上电则相反。

[更新]

这些确实以其他名称而闻名,例如通过门和传输门

这些与真正的三态缓冲器有很大不同(如您在上面链接中的图表中所见),但对于普通逻辑,效果更好(这本质上是一个双向设备)但功耗更低。

如果数据信号连接到您的微控制器,您可以通过将这些引脚配置为输入来简单地将它们设为高阻抗。(如果另一个芯片的功耗很小,你可以把它的 Vcc 当作数据信号。)

否则,您可以使用模拟开关(74x66 逻辑芯片)断开它们。对于单向信号,74x125 也可以。

不幸的是,我认为没有一种万能的策略。像您已经完成的那样切换子系统的电源。在软件中,在低功耗状态下将引脚驱动为低电平,除非这样做会导致高功率稳态条件。在这种情况下,将引脚驱动为高电平。永远不要让输入浮动。根据需要对电源进行排序,以建立安全的初始条件。

一个令人讨厌的问题,可能导致微控制器做非常奇怪的事情。
好的解决方案是使用下拉串行 I/O,如 \$ I^2C \$。这需要 SCK、SDA 线上的上拉电阻。上拉电阻连接到开关 Vcc 线。确保开关的 Vcc 线在关闭时很好地降至零伏(不要让它浮动)。

你没有那个选项——你不得不使用异步串行 I/O。一些微控制器允许使用与 I2C 类似的方法来解决问题。如果您可以将串行输出引脚编程为仅下拉而不是更常见的pull-up-for-1、pull-down-for-0,那么您可以在开关 Vcc 上添加一个上拉电阻以建立一个逻辑高。
此解决方案不像您目前的方法那样抗噪,但它应该解决从 AVR 为 I/O 模块反向供电的问题。这并不是一个真正的“干净”解决方案,但对于 IO 模块中的微控制器来说,它要安全得多。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图