【關(guān)鍵詞】電路設(shè)計；電源監(jiān)控；集成度的提高

引言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代電子設(shè)備在提高性能的同時，也對能效提出了更高的要求。無論是便攜式設(shè)備、可穿戴設(shè)備，還是工業(yè)自動化系統(tǒng)，低功耗設(shè)計已經(jīng)成為電子工程領(lǐng)域的關(guān)鍵課題之一。尤其在電源管理領(lǐng)域，精密電源監(jiān)控電路的設(shè)計直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和能效表現(xiàn)。隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，電源監(jiān)控電路的功能越來越強(qiáng)大，體積越來越小，功耗也顯著降低。

一、低功耗精密電源監(jiān)控電路設(shè)計

（一）低溫漂帶隙基準(zhǔn)設(shè)計與開發(fā)

在低功耗精密電源監(jiān)控電路設(shè)計中，開發(fā)低溫漂帶隙基準(zhǔn)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其設(shè)計目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度和低溫度系數(shù)，以保證電源監(jiān)控電路在不同溫度下保持穩(wěn)定的輸出。帶隙基準(zhǔn)電路的核心在于其能夠提供一個與溫度、電源電壓變化無關(guān)的穩(wěn)定參考電壓。選擇合適的半導(dǎo)體過程是帶隙基準(zhǔn)設(shè)計的初步步驟。帶隙基準(zhǔn)有依賴于半導(dǎo)體的物理特性，因此，技術(shù)人員應(yīng)優(yōu)先選用具有高穩(wěn)定性和低溫漂的雙極型或CMOS工藝，例如，可以選擇具有高β值（電流增益）和低Vbe（基極－發(fā)射極電壓）溫度系數(shù)的雙極性晶體管。在實(shí)際操作中，β值應(yīng)大于100，這有助于減少電流鏡和差分放大器中的誤差放大。

設(shè)計的一個關(guān)鍵步驟是實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。帶隙基準(zhǔn)電路通常利用兩個具有不同溫度系數(shù)的電壓相加，以實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)的輸出。技術(shù)人員可以通過結(jié)合一個正溫度系數(shù)的電壓（如晶體管的Vbe）和一個負(fù)溫度系數(shù)的電壓（如正比于絕對溫度的電壓）來實(shí)現(xiàn)。為了精確控制這兩個電壓的比例，技術(shù)人員可以采用精密電阻來設(shè)置電流的比例，其中電阻的溫度系數(shù)應(yīng)盡可能低，最好不超過10×10-6/℃。電路設(shè)計還需要特別注意晶體管的匹配性，因?yàn)槿魏尾黄ヅ涠紩疠敵鲭妷旱淖兓捎妹娣e匹配和中心對稱布局的方法可以有效減少由于工藝波動引起的晶體管參數(shù)不一致的情況。例如，在設(shè)計電流鏡（圖1）或差分對時，應(yīng)確保所有晶體管的W（寬度）與L（長度）的比相同，并盡量布局在相同的硅片區(qū)域內(nèi)[1]。

為了進(jìn)一步降低電源電壓的影響，帶隙基準(zhǔn)電路應(yīng)包括一個低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）。這個LDO需要設(shè)計為低輸出噪聲，且其輸出電壓波動在±0.1%以內(nèi)，以確保帶隙基準(zhǔn)電路的供電穩(wěn)定性。LDO的輸入電壓應(yīng)高于輸出電壓至少200 mV，以保證有足夠的壓差進(jìn)行穩(wěn)壓。實(shí)際測試階段需要在不同溫度（如-40℃到85℃）下測量帶隙基準(zhǔn)的輸出電壓和溫度系數(shù)。輸出電壓的穩(wěn)定性應(yīng)在±0.5%以內(nèi)，而溫度系數(shù)應(yīng)低于10×10-6/℃。這些數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證設(shè)計的有效性和穩(wěn)定性。為確保電路長期可靠，進(jìn)行加速老化測試和應(yīng)力測試也是必要的。這些測試可以幫助識別潛在的可靠性問題，如晶體管的熱失穩(wěn)和電阻的漂移等，并通過調(diào)整設(shè)計參數(shù)來優(yōu)化電路性能。

（二）低功耗振蕩電路及定時器的設(shè)計與開發(fā)

低功耗精密電源監(jiān)控電路設(shè)計在輕工工程中具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義，尤其是在需要長時間運(yùn)行且無法頻繁更換電池的設(shè)備中，低功耗設(shè)計可以顯著延長設(shè)備的使用壽命。在這種設(shè)計中，振蕩電路和定時器是兩個關(guān)鍵部分。振蕩電路的設(shè)計需要選擇適合的元件和參數(shù)來達(dá)到低功耗的目的，而使用CMOS技術(shù)是降低功耗的有效途徑。CMOS 555定時器是振蕩電路的首選器件，因?yàn)樗撵o態(tài)電流消耗通常僅在微安級別。此外，為了實(shí)現(xiàn)低頻振蕩，選擇適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙萁M合是至關(guān)重要的。在實(shí)際設(shè)計中，使用100 kΩ的電阻和9.1 nF的電容，可以產(chǎn)生接近1 kHz的振蕩頻率。這種配置可以將功耗控制在0.075毫瓦以下，從而滿足低功耗的需求。

在選擇電阻和電容時，技術(shù)人員必須考慮其對溫度和電壓的敏感性。高穩(wěn)定性的電阻和低漏電流的電容可以提高振蕩電路的穩(wěn)定性。為了電阻和電容在溫度變化時漂移較小，技術(shù)人員通常會考慮使用金屬膜電阻和陶瓷電容；具體到實(shí)際操作中，可以選擇1%的高精度電阻，這樣可以將頻率偏差控制在±1%，以減少頻率誤差對整個系統(tǒng)的影響。除了元件選擇，技術(shù)人員還需要優(yōu)化電路布局以減少寄生電容和干擾對振蕩頻率的影響，在實(shí)際設(shè)計中，可以將振蕩電路的敏感節(jié)點(diǎn)布置在印制電路板（Printed Cicuit Board，PCB）的遠(yuǎn)離電源和其他高速信號的位置，同時采用地線包圍的設(shè)計來減少噪聲的干擾。在PCB設(shè)計中，為了確保振蕩頻率的穩(wěn)定性，技術(shù)人員需要盡量縮短電阻和電容之間的連接線路，減少寄生電容的影響。

定時器也是低功耗電源監(jiān)控電路中的一個重要部分。定時器電路通常用于產(chǎn)生精確的延時信號，因此其設(shè)計的精度和功耗控制同樣重要。在低功耗設(shè)計中，選擇CMOS 555定時器也是常見的策略。為了實(shí)現(xiàn)長時間的延時，輕工工程常常使用大電阻和大電容的組合，具體來說，可以選擇1.5 MΩ的電阻和6.8 μ μF的電容，這樣可以實(shí)現(xiàn)接近10秒的延時。為了確保定時器的精確度，設(shè)計過程需要使用精度更高的元件，比如1%的電阻精度和5%的電容精度，以將延時誤差控制在±5%左右。如果需要進(jìn)一步提高精度，技術(shù)人員可以選擇更高精度的電阻和電容。值得注意的是，電容的漏電流會影響到延時時間，特別是在延時較長的情況下，因此在實(shí)際設(shè)計中，應(yīng)該選擇漏電流低于0.1 μA的電容以減少這一影響。技術(shù)人員在定時器電路的設(shè)計中，為了減少功耗，可以設(shè)定在不使用定時器的時間段內(nèi)將其關(guān)閉[2]。在實(shí)際操作中，通過使用外部開關(guān)或者利用微控制器的I/O口來控制定時器電源的接通和斷開，可以大幅降低定時器在非工作時間段的功耗。例如，在一個輕工設(shè)備的待機(jī)模式下，定時器可以被斷電，從而使整個電路的靜態(tài)功耗降至微安級別。

在定時器和振蕩電路的設(shè)計完成后，技術(shù)人員還需要進(jìn)行全面的測試和驗(yàn)證，以確保其在各種工作環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性：具體來說，可以在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中對電路進(jìn)行長時間的監(jiān)控，記錄其頻率和延時的穩(wěn)定性及在不同溫度和電壓條件下的性能表現(xiàn)。通過這些測試，技術(shù)人員可以發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

二、低功耗精密電源監(jiān)控電路設(shè)計優(yōu)化

（一）動態(tài)電壓閾值調(diào)整

在低功耗精密電源監(jiān)控電路的設(shè)計中，動態(tài)電壓閾值調(diào)整是一個至關(guān)重要的優(yōu)化過程。它能實(shí)時監(jiān)控供電電壓并根據(jù)負(fù)載或外部環(huán)境的變化動態(tài)調(diào)整閾值，從而提高電路的性能和可靠性。而實(shí)現(xiàn)這一功能不僅需要巧妙的硬件設(shè)計，還需要高效的軟件算法支持，為此，需要設(shè)計一個能夠?qū)崟r監(jiān)控電源電壓的采樣電路。技術(shù)人員通常使用低功耗的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以供后續(xù)處理。為了滿足高精度和低功耗的要求，以確保電壓測量的準(zhǔn)確性，可以選擇分辨率較高的12位或16位ADC。同時，ADC的采樣速率也要根據(jù)電路應(yīng)用場景的實(shí)際需求進(jìn)行選擇。如果監(jiān)控電路（如圖2所示）是用于電池供電的設(shè)備，采樣速率可以相對較低，從而減少功耗；而對于需要快速響應(yīng)的應(yīng)用，則需要更高的采樣速率。

一個穩(wěn)定的參考電壓源可以為電壓監(jiān)控電路提供基準(zhǔn)，通常來說，可以使用低溫度系數(shù)的帶隙參考電壓源，確保電路在溫度變化時仍能提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。基準(zhǔn)電壓源的選擇直接影響到監(jiān)控電路的精度，因此選擇時要充分考慮其精度、溫度穩(wěn)定性及功耗特性。在采集到電壓數(shù)據(jù)后，技術(shù)人員需通過一個嵌入式微處理器或微控制器對其進(jìn)行處理。微處理器內(nèi)部可以運(yùn)行動態(tài)電壓閾值調(diào)整算法，算法根據(jù)歷史電壓數(shù)據(jù)和當(dāng)前電壓水平，結(jié)合預(yù)設(shè)的電壓上下限來動態(tài)調(diào)整閾值。例如，如果電路在運(yùn)行過程中檢測到供電電壓逐漸下降，可能意味著電池電量正在耗盡，此時算法可以將閾值適當(dāng)降低，以延長設(shè)備的運(yùn)行時間，避免誤報；反之，在供電電壓處于正常水平時，可以將閾值適當(dāng)提高，確保電路能夠及時響應(yīng)異常情況[3]。

為了實(shí)現(xiàn)這種動態(tài)調(diào)整，技術(shù)人員還需要考慮數(shù)據(jù)的濾波與去噪。電源電壓往往伴隨著噪聲和瞬態(tài)波動，因此在處理前，通常需要數(shù)字濾波算法對采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。常用的濾波算法包括低通濾波器和移動平均濾波器，這些算法可以有效平滑短時間內(nèi)的電壓波動，從而避免由于瞬時尖峰導(dǎo)致的不必要報警。以某用于便攜式醫(yī)療設(shè)備的低功耗電源監(jiān)控電路為例，在該設(shè)計中，電源由一塊鋰電池提供，而設(shè)備的工作環(huán)境可能會出現(xiàn)不同的溫度和負(fù)載變化。首先，技術(shù)人員通過低功耗高精度ADC對電池電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并結(jié)合環(huán)境溫度傳感器的數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前的工作環(huán)境。電路中的微控制器會根據(jù)預(yù)設(shè)的電壓與溫度的關(guān)系曲線，動態(tài)調(diào)整電壓閾值。例如，在低溫環(huán)境下，鋰電池的內(nèi)阻增大，可能導(dǎo)致電壓下跌速度加快，因此閾值調(diào)整算法會適當(dāng)降低報警閾值，以防止設(shè)備過早關(guān)機(jī)。在負(fù)載發(fā)生較大變化時，算法會參考?xì)v史數(shù)據(jù)，對當(dāng)前的電壓變化進(jìn)行綜合評估，避免因瞬時負(fù)載波動引起誤報。

電路設(shè)計還需要通過硬件與軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化，例如在軟件算法中加入定時休眠機(jī)制，使得ADC和微控制器在非采樣周期進(jìn)入低功耗模式，從而大幅降低整體功耗。電源監(jiān)控電路在檢測到異常電壓時，通過一個獨(dú)立的喚醒電路觸發(fā)微控制器進(jìn)入全速運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行必要的故障處理或系統(tǒng)關(guān)機(jī)。這種設(shè)計策略可以在保證系統(tǒng)安全的前提下，最大程度延長電池壽命。

（二）事件驅(qū)動喚醒機(jī)制

在低功耗精密電源監(jiān)控電路設(shè)計中，事件驅(qū)動喚醒機(jī)制是一種有效的方法，它可以在降低系統(tǒng)整體功耗的同時保證電路的響應(yīng)速度和精度。該機(jī)制通過對關(guān)鍵事件的實(shí)時監(jiān)控，在必要時喚醒系統(tǒng)，而在無需處理的時段內(nèi)使系統(tǒng)保持在低功耗或睡眠狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)該機(jī)制需要選擇合適的監(jiān)控元件，如電壓監(jiān)測器、電流傳感器和溫度傳感器。這些元件能夠?qū)崟r監(jiān)測電源線狀態(tài)和環(huán)境條件，確保電源系統(tǒng)在正常工作范圍內(nèi)運(yùn)行。使用具有低靜態(tài)電流消耗的電壓監(jiān)測器，可以不斷檢測輸入電源的電壓水平。當(dāng)電壓跌落到預(yù)設(shè)的閾值以下時，電壓監(jiān)測器會生成一個喚醒信號，觸發(fā)微控制器（MCU）從睡眠模式中喚醒。這種電壓監(jiān)測器（見圖3）通常包括一個比較器和一個參考電壓源。比較器比較輸入電壓與參考電壓，當(dāng)輸入電壓低于參考電壓時輸出低電平，反之輸出高電平。這樣的設(shè)計不僅可以快速響應(yīng)電壓變化，還可以通過調(diào)整參考電壓來設(shè)定監(jiān)控閾值，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

為了優(yōu)化電源監(jiān)控電路的功耗，系統(tǒng)可以采用具有自動睡眠和喚醒功能的微控制器。這種微控制器可以在沒有監(jiān)測到關(guān)鍵事件時自動進(jìn)入低功耗模式，如睡眠或待機(jī)模式，并在檢測到特定的喚醒信號時快速恢復(fù)到工作狀態(tài)。這種設(shè)計不僅能有效減少系統(tǒng)在非活動期間的能耗，還能保證在關(guān)鍵事件發(fā)生時的即時響應(yīng)。比如結(jié)合使用溫度傳感器和電壓監(jiān)測器，用于便攜式醫(yī)療設(shè)備的電源監(jiān)控中。溫度傳感器可以持續(xù)監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部的溫度，以預(yù)防過熱情況；電壓監(jiān)測器則確保電池電壓保持在安全工作范圍。不僅如此，在設(shè)備正常工作時，若電池電壓或內(nèi)部溫度超出預(yù)設(shè)的安全范圍，相應(yīng)的傳感器會立即向微控制器發(fā)送喚醒信號。微控制器隨后執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)措施，如斷開電源或調(diào)整工作狀態(tài)，以防止設(shè)備損壞[4]。

為了進(jìn)一步降低功耗，設(shè)計人員還可以在電源監(jiān)控電路中加入一些智能算法，如基于歷史數(shù)據(jù)分析的預(yù)測系統(tǒng)，以預(yù)測電源線可能出現(xiàn)的異常狀態(tài)，并提前準(zhǔn)備系統(tǒng)響應(yīng)。這種預(yù)測機(jī)制可以減少系統(tǒng)的頻繁喚醒，從而進(jìn)一步降低功耗。

結(jié)語

對低功耗精密電源監(jiān)控電路設(shè)計的深入研究和優(yōu)化分析，不僅可以提高電源管理系統(tǒng)的能效，還能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性。這種優(yōu)化設(shè)計不僅適用于現(xiàn)有的電子設(shè)備，還為未來的智能設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。隨著新材料和新工藝的不斷發(fā)展，低功耗電路設(shè)計將在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。