借助集成模数器实现更低功耗的12种方法

      在降低设计功耗的过程中，您是否充分利用了微控制器（MCU）中集成模数转换器（ADC）的所有功能？这篇博文将带您了解如何借助集成模数器实现更低的功耗。

　　本文，我们将以MSP432P401R MCU中的ADC14（集成14位模数转换器）作为示例。低功耗应用，以及减少高占空比应用中的启动时间都是ADC14设计过程中的考量要素。然而，各个应用都有独特的特点，因此，为最大限度地降低功耗，必须谨慎选择ADC14的旋钮或可编程性。

　　这篇博文重点讲述MSP432™ MCU的一些关键特性，您可以通过这些特性自定义ADC14的功率和性能：

• 可选参考
• 快速启动
• 可选时钟源
• 电源模式
• 最低电压1.62V
• 使用集成DC / DC驱动核心电压
• 自动关机
• 内部温度传感器，ADC采样时间减少
• 8、10、12或14位可选，选择最低位数可提高转换速度，节省电池电量
• 窗口比较器发现相关信号之前，不必进行实际处理，甚至不必使用8位模式
• DMA 的模块过程
• 使用定时器来触发ADC转换
  

　　可选参考

　　可选参考允许用户选择适合其性能的最小电流。如果电源稳定，可将电源作为超低功耗参考。使用电源作为基准，意味着内部参考无需电流，而且参考没有启动时间。

　　快速启动

　　ADC14启动快速，可进一步改进高占空比应用的低功耗。ADC和时钟（MODOSC或SYSOSC）的启动时间很短。此外，在其缓冲器启动前（参见设备数据表了解具体数值），作为低功耗的内部参考首先启动。由于不需要充电时间过长的外部电容器，因此缓冲器可快速建立。这样，仅在使用的时候才需要打开缓冲器，而且外部电容器充电也需花费更长时间。

　　可选时钟源

　　考虑时钟选择时，需要考虑系统级功率预算。在某些情况下，转换更快的时钟可节约能量。工作周期应用可从具有快速启动时间的MODCLK受益。用户必须考虑增加不同时钟源的电流可将ADC的启动时间降至最低，并可节省净功率。

　　电源模式

　　电源模式（ADC14PWRMD位）按照最大采样率调整电流消耗，主要是通过在选择内部参考时调整所用的缓冲器。与SYCOSC情况一样，如果您在ADC14中使用较慢的时钟，可以考虑将低功耗模式（ADC14PWRMD = 2）作为时钟源（参见设备数据表了解具体的时钟要求）。

　　当使用外部参考时，ADC14PWRMD设置之间的每次转换的能量差压与未使用参考缓冲器时一样小。这种情况下，较慢的时钟降低ADC的电流消耗，但需要更长时间才能完成。

　　使用内部参考时，最低能耗模式取决于您的应用。应基于每个应用考虑以下因素，包括：ADC无源时启用低功耗模式的节能、采样时间、转换次数、时钟或其它地方使用的参考、时钟频率、转换次数等。对于采样时间长的应用，ADC采样时间电流小于转换电流，因此您看到的数据比数据表中的数值小。您可能需要做一些台架测试，以了解您的应用的ADC电流消耗。

　　使用具有最小采样时间的内部参考，并考虑MODOSC / SYSOSC的能量，单一ADC转换的低功率模式能耗最低。但是，凭借连续五次或更多的转换，转换速度开始占据主导，而带更快时钟的常规电源模式能耗最低。图1对比了12位模式中两个不同转换次数的电源模式的能耗。

　　图1 带内部参考的ADC

　　为了帮助您优化系统，图2中显示了常规和低功耗模式中带内部参考的ADC14的两种示例的电流分布。

　　图2 带内部参考库的ADC

　　全速运行过程中，当ADC14PWRMD = 2（200ksps最大值）或最小电源电压为1.8 V时，ADC14支持最佳的1.62伏最小电源电压。对于电池操作，如果可以使用低功率模式，可延长电池寿命并且仍然充分采样信号。对于稳压电源，使用低电压降压转换器可极大地提高所有电流源的效率，并降低从电源中牵引的电流。

　　能够使用集成DC / DC驱动核心电压

　　MSP432微控制器提供了一个集成DC / DC转换器，可提高包括ADC14数字逻辑的核心电源效率。对于ADC14电流的数字段，DC / DC转换器减少电流消耗。对于差分输入，当使用DC/DC转换器时，性能差异可忽略不计。对于单端输入方式，这对70分贝对73分贝典型SINAD（信噪比和失真比）具有较小影响。如欲了解详情，敬请参阅设备数据表，确保ADC14与DC / DC转换器适用于您的应用。

　　自动关机

　　ADC14具备自动关机功能，用户无需任何操作，即可降低功耗。当ADC14停止转换操作时，处理器将自动禁用，并在需要时自动重新启用。时钟源、MODOSC或SYSOSC也可自动启用，在需要时为ADC14自动提供MODCLK或SYSCLK；ADC14或装置的其余部分不需要时，也可对其禁用。ADC14 MODOSC / SYS OSC与内部参考一起启动，因此时钟自动关闭不会造成影响。

　　通过设置ADC14REFBURST位，并将REFON位设置为0，内部参考在样品或转换相之间不会自动断电。

　　内部温度传感器

　　内部温度传感器设计的采样时间要求比之前的MSP设备更短，以减少用于测量温度的能耗。

　　最后四种防范在本系列第二和第三篇博文中有更详细的介绍：

　　选择所需的最小位数提高完成速度，节省能源。

　　使用窗口比较器，在您完成匹配、提高分辨率前，不必实际处理比较转换值，甚至不用使用8位模式。

　　使用DMA的模块过程来减少资源的使用

　　使用定时器来触发ADC转换，以尽量减少所用资源