掌握觸敏設(shè)備的電池壽命

高度敏感的觸摸外殼通過擠壓或手指滑動(dòng)改變電池供電的醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)儀表、平板電腦或手機(jī)的功能。輕柔地握住這些設(shè)備可實(shí)現(xiàn)最佳的動(dòng)手性能和電池壽命。最佳解決方案是使用高精度 24 位 ΔΣ ADC 優(yōu)化此靈敏度，并使用有效的固件算法控制功耗。

介紹

便攜式醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)儀表、平板電腦或手機(jī)等手持式電池供電設(shè)備通過 LCD（液晶顯示器）提供有效的觸覺用戶界面。也許這些工具用戶界面的下一步是使它們對施加在外殼上的外部壓力敏感。考慮到這一點(diǎn)，只需在設(shè)備外殼上簡單的擠壓或手指滑動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)多種用戶可編程功能。

例如，通過使用短捏，手機(jī)可以快速拍照，而長捏可以接聽電話。此功能為使用手持設(shè)備提供了一系列新方法，但最好的做法是超靈敏的外觀對設(shè)備電池壽命的影響最小。

在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中，我們將探討成功的兩個(gè)關(guān)鍵要求：對觸摸的精確靈敏度和有效的電池管理技術(shù)。

安裝在設(shè)備內(nèi)部的外部力傳感器

如果適當(dāng)?shù)毓潭ㄔ谑殖衷O(shè)備上，力或應(yīng)變片傳感器會對壓力的微小變化做出反應(yīng)。該應(yīng)變片的正確型號配置是由四個(gè)電阻應(yīng)變片組成的惠斯通電橋或力傳感器。

電阻是傳感器應(yīng)變片的建模元件。完整的傳感器結(jié)構(gòu)通常是具有可變電阻的導(dǎo)電走線的 PCB（圖 2）。

圖2.惠斯通電橋或力傳感器。

理想的PCB材料是柔性塑料基板，例如聚酰亞胺或透明聚酯。柔性電路結(jié)構(gòu)允許電路板符合所需的形狀或柔性位置，而不會使電路板上的走線短路。生成的電阻值隨施加的應(yīng)力或力而變化。

圖3顯示了力傳感器的四個(gè)應(yīng)變片的布置。在靜態(tài)、無應(yīng)力的環(huán)境中，所有電阻值相等或 R1= R2= R3= R4.隨著用力甚至輕微的觸摸，電阻的值會發(fā)生變化，使得R1>·3和 R2<·4，而 R1= R4和 R2= R3.

四個(gè)電橋元件的電阻幅度從300Ω到10kΩ不等。如果設(shè)計(jì)人員保持在這些儀表的機(jī)械應(yīng)力限制范圍內(nèi)，則滿量程輸出，V外或AINP - ANIN，在10mV至100mV之間變化。

圖3.全橋柔性塑料電阻應(yīng)變片。

電阻力傳感器必須由電壓源 V 激勵(lì)裁判.激勵(lì)電壓穩(wěn)定性會影響測量精度，因此需要穩(wěn)定的電壓源。

該傳感器的輸出電壓（AINP - ANIN）取決于應(yīng)變片的物理和電阻增量范圍。例如，電橋的電阻為1.2kΩ，額定輸出為2mV/V，滿量程撓度為0.01in。至 0.05 英寸

環(huán)繞整個(gè)設(shè)備

人們可以成功地在設(shè)備的內(nèi)邊緣添加多個(gè)橋。這里的主要挑戰(zhàn)是檢測擠壓因素或器件外部封裝的細(xì)微變化。

手機(jī)的邊緣對壓力和/或觸摸很敏感。只需輕輕擠壓即可激發(fā)傳感器。此時(shí)，該器件使用差分輸入IC測量傳感器的輸出電壓。

信號調(diào)理選項(xiàng)

Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ΔΣ ADC）是捕獲和數(shù)字化小差分電壓至關(guān)重要的應(yīng)用的合適構(gòu)建模塊。?S ADC具有差分輸入端口以連接到這些橋。ΔΣ ADC捕獲電壓之間的差異（在圖2中，AINP和AINN）以記錄施加的力。

該傳感器和 ΔΣ ADC 需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓 （V裁判).附加 V裁判到電橋和ΔΣ ADC的基準(zhǔn)電壓源如圖5所示，可提供方便的比例數(shù)字結(jié)果。

圖5.六通道 24 位 ΔΣ ADC，具有 6 個(gè)可編程 GPO 端口。

圖5所示的多通道ΔΣ ADC非常適合此應(yīng)用。這種設(shè)計(jì)需要一個(gè)ADC，可以將小的增量電壓變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。24 位 ΔΣ ADC 產(chǎn)生 224或大約 1700 萬個(gè)數(shù)字輸出代碼。對于輸入范圍為3.0V的理想24位ΔΣ ADC，最低有效位（LSB）的大小約為179nV。但在圖5中，ΔΣ ADC內(nèi)部增益模塊改善了這種情況。例如，分辨率為150nV有效值內(nèi)部增益為64，基準(zhǔn)電壓為3.0V，采樣速率為1ksps。

省電

ΔΣ ADC是該電路的強(qiáng)大補(bǔ)充，因?yàn)樗梢越馕鑫锢磉\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的非常小的差分橋電壓。鑒于持續(xù)的外部監(jiān)控至關(guān)重要，在這種電池供電的環(huán)境中，要求將這些傳感單元的功耗保持在盡可能低的水平。

電橋檢測電路中的功耗來自兩個(gè)地方，即阻性電橋和ΔΣ ADC。

阻性電橋功率（P橋） 等于 V裁判1/1橋.例如，如果 R橋= 1.2kΩ 和 V裁判= 3.0V，一個(gè)傳感器的功耗為7.5mW（公式1和2）。

(Eq. 1)

(Eq. 2)

通常，ΔΣ ADC電流消耗的規(guī)格為模擬（I安娜）和數(shù)字（I挖） 工作電源電流。在我們的電路中，ΔΣ ADC的模擬和數(shù)字電源為3.3V。使用圖4所示器件的規(guī)格，ΔΣ ADC I安娜= 4.2mA 和 I挖= 0.7mA，提供工作功率（PADC_OP），在通道掃描時(shí)間內(nèi)等于16.17mW（公式3和4）。

總工作功率（PTOT_OP）和傳感器的功率為23.67mW（公式5和6）。

圖6.省電時(shí)序圖。

對于圖4中的ΔΣ ADC，如果GPOx電壓等于V裁判，電橋電流和電橋功率達(dá)到接近零的值（PBRIDGE_SL= 0W）。此外，典型的ΔΣ ADC休眠模式電流（ISL）為~1.3μA。這會產(chǎn)生ΔΣ ADC休眠功率（PADC_SL） 等于 4.29μW（公式 7和8）。

總睡眠功率 （PTOT_SL） 的 ΔΣ ADC 和傳感器為 4.29W（公式 9和10）。

工作配置和睡眠配置之間的功耗之比約為 5，517。

現(xiàn)在，該應(yīng)用的總功耗成為時(shí)序算法的挑戰(zhàn)。這種極高的比率是通過固件編程有效控制操作和睡眠模式的強(qiáng)大動(dòng)力。在這一挑戰(zhàn)中，設(shè)計(jì)人員確定測量速率要求，因?yàn)閭鞲衅鳒y量1Hz至20Hz范圍內(nèi)的人為事件。

結(jié)論

電池供電的醫(yī)療設(shè)備（如工業(yè)儀表、平板電腦或手機(jī)）的功能可以通過使設(shè)備外殼對觸摸高度敏感來擴(kuò)展，只需擠壓或手指滑動(dòng)即可。我們討論了一種輕柔地抓住這些設(shè)備的方法，以實(shí)現(xiàn)最佳的動(dòng)手性能和電池壽命。最佳解決方案是使用高精度 24 位 ΔΣ ADC 優(yōu)化測量，并使用有效的固件算法控制功耗。

審核編輯：郭婷