仅需一只管脚的极低功耗电压基准(分享）

只看该作者 · 2014-8-24 17:17

这是《电子设计技术》里的一篇**，特分享一下。
先上电路图

只看该作者 · 2014-8-24 17:24

电源轨一般用于为微控制器的电压基准源供电。在功率关键的电池供电应用中，即使持续数10S的毫安级电流也是被禁止的。这种情况下，需要增加一个用于控制基准电压通断的管脚。通过与电压基准源并联一个0.1uF电容，并使用一个可从本设计实例在线版上下载的简单软件，只需要一个管脚就可以同时完成基准电压的供电与读取任务。
当如上图连接电压基准时，软件将microchip公司PIC芯片的VREF(基准电压)管脚配置成一个开关导通的输出端。经过约300us后，电容上的电压稳定在1.225V。

只看该作者 · 2014-8-24 17:29

ZXRE4041上电时存在着一个初始过冲。然后，该管脚被配置为一个ADC基准电压源的模拟输入。当ZXRE4041断电时，在下一个50us中，基准电压会快速掉落20mV。有了0.1uF电容，因为有泄漏，电压会在2ms时间上缓慢跌落60mV。虽然这个延迟是指数性的，但速率很低，从使用角度说，可以认为在这个短的时间窗口内它是线性的。

只看该作者 · 2014-8-24 17:39

另外还要考虑到，在转换期间，ADC会通过10K电阻消耗电流，造成压降。虽然Microchip公司并未在自己的文档中给出这个压降的特性，但通过对多款器件80mV压降的测试，得到了一个6.67uA的计算电流值。采用传统的内部4MHZ时钟，并将ADC振荡时钟频率除以16，用于最低工作电压的运行，一次变换要用45uS。这个动作略微消耗了电容电量，但这种消耗大约只有2mV或3mV。用初始瓦秒减去用掉的瓦秒，就得到了较低的值。从初始稳态的1.225V减去这些固定、可重复的损耗，就得到了一个新的基准电压，即1.225VREF-0.02V关机压降-0.080IR降=1.145V。
（这个地方我感觉有错误，1.225-0.08=1.145）

只看该作者 · 2014-8-24 17:49

用75us做模数转换，存储数值，并在另外一个通道设置下一个转换，11次转换就可以得到低至22.5mV的最后一个基准电压，即：10*75us*（60mV/2000US)。与第一次转换的结果相比，误差只有1.9%。
如果你只需要为某种消费产品提供一个适当的电压，例如低电池电压警告，则可以用一支LED,而不必用ZXRE4041。只要将R1的值改为300欧，就能提供足以点亮LED的电流。虽然LED没有专用电压基准芯片的温度稳定性，但对应用来说这种变动时能过接受的。因为大多数消费产品的使用都在人类的舒适范围内。如果LED已是系统中的一个组成部分，则电压基准的成本就只剩下软件了。采用这种技巧，现在可以用LED提供状态指示灯、光电探测器和电压基准功能，只需要用软件重新配置变动，就可以进入一种零功率状态。

1万 · 2014-8-24 21:01

什么神奇的器件，居然这样接？

1万 · 2014-8-24 21:05

LZ可否贴原文的图片？
转述不算。

只看该作者 · 2014-8-24 21:11

没法贴，那是纸版的

只看该作者 · 2014-8-24 21:24

要么明天我拍张照片。

1万 · 2014-8-24 22:24

刚才看了芯片手册，严重怀疑一楼的用法。

只看该作者 · 2014-8-25 08:34

别弄错了，那不是我的用法，是杂志上的。

只看该作者 · 2014-8-25 08:48

想法不错
不知道实际效果如何

1万 · 2014-8-25 10:02

误差只有1.9%。

2万 · 2014-8-25 10:03

ZXRE4041说白了就类似一个稳压二极管。

楼主发的这个帖子也不是一点用没用，但实际上只能用在那些对电压基准精度要求极低的场合。

它的理论就是：先把IO口打开输出一个电压，这个电压会通过那个二极管给ZXRE4041和并联的电容提供电荷，等ZXRE4041和并联的电容两端的电压稳定后，再把IO口切换为参考电压输入脚，原作者认为这里电容比较大，对ZXRE4041的放电比较慢(ZXRE4041的内阻不详)，只要电容上的电压没有瞬间掉落太多，那在可接受的时限内完成ADC转换即可。

但问题是：
1、对ZXRE4041和电容充电本身就需要不少电量。
2、电容对ZXRE4041的放电时间决定于ZXRE4041的内阻，ZXRE4041的内阻和环境温度还有一定关联，这中间不确定因素较多。
3、电容对ZXRE4041的放电残余电压作为参考电压，残余电压的多少取决于放电电阻和放电时间长度，但从IO口方向来看也存在着寄生电容，这个寄生电容上的电压等于IO口输出的电压,当IO口切换为输入时，这个寄生电容的放电通道是一个叠加电路，在这个寄生电容上的电荷没放到一定程度前，IO口出的电压和C1上的电压并不等同，所以放电时间长度不可能是瞬间切换IO口就可以作为参考电压的。
4、综合那些因素后，这个电路能保证的参考电压精度就很差了，意义不是太大。很多MCU内部都有内带的参考基准模块，还不如用那个了，用完了就关掉，那样功耗岂不是更低？

只看该作者 · 2014-8-25 10:11

版主就是版主！

2万 · 2014-8-25 11:21

宋业科发表于 2014-8-25 10:02
误差只有1.9%。

不能这么讲，我查了一下，ZXRE4041本身就有三种精度：0.5%，1%，2%。

另外，必须指出的是：
1、那个并联的电容，其容值的误差也是很大的，容值不同，其充电时保持的电量就是不同的，当以固定时间长度和定电阻给这个电容放电时，根据RC放电曲线，这个容值的变化也会造成电容上残余电压数值的差异，这些都要带入到误差中去。
2、电容放电速度和环境温度也有一定关联，这些也都要带入到误差中去。

个人感觉(没实际推算和实测，只凭感觉)，估计即使选择0.5%做设计，该电路的最大误差应该也是会超出1.9%很多的。