降低电容感应应用的功耗

电容感应是一种有效的技术，适用于从接近检测和手势识别到液位感应的应用。根据应用的不同，在灵敏度、响应能力和功率方面会有不同的系统要求。功耗是许多应用的关键参数，包括可穿戴设备、消费电子产品和一些汽车应用。那么如何降低系统的功耗呢？在这篇文章中，我将介绍降低电容数字转换器功耗的技术。我进行了各种实验来验证这些降低功率技术的有效性。

占空比

电容感应目前使用不同的电路架构，正如我在之前的电容感应架构比较博文中所解释的那样。特别是，电感-电容 (LC) 槽路架构测量振荡频率的变化以确定电容的变化。槽路振荡频率 (f OSC ) 与独立参考时钟 (f REF ) 进行比较，以产生将 f OSC表示为 f REF一部分的输出样本. 对于连续采样模式，这些类型的设备的功耗通常约为几毫安。对于低功耗应用，对器件进行占空比有助于降低功耗，因为器件被置于低功耗模式，并且仅在执行测量转换时才处于活动状态。这最大限度地减少了流经设备的电流总量，因此降低了整体功耗。

与这种占空比技术相关的主要权衡之一是响应能力。采样率越高，系统响应速度越快，但代价是平均功率更高。但是，对于不需要超快响应时间的应用，可以使用较低的采样率来实现较低的功耗。例如，许多人机界面 (HMI) 只需要以 40 SPS 或更低的采样率运行。给定采样率的测量的总转换时间也会影响功耗，具体取决于分辨率要求。这个概念对应于设备在特定采样率下的占空比。

时钟门控

降低这些电容式传感设备功耗的第二个重要技术是外部参考时钟的门控。简而言之，每当设备进入低功耗模式时，参考时钟也会关闭。这不仅降低了外部时钟的功耗，而且显着降低了器件引脚的漏电流。

测试设置

我使用TI Designs 抗噪声电容接近传感器系统参考设计测试了这些技术，该参考设计使用了 TI 电容感应 IC FDC2214。在仅启用一个通道（通道 0，接近传感器）的情况下，我使用数字万用表测量了流经FDC2214的电流。图 1 显示了测试设置，测试条件在表 1 中给出。

图 1：测试设置

表 1：测试条件

门控时钟测量

对 TIDA-00466 进行了编程，使FDC2214仅在以下三种状态之一中运行：活动、睡眠和关闭。对于每种状态，测量了器件的电流消耗，并在表 2 中给出。

表2 ：每种状态的电流消耗：门控时钟

这些电源电流值采用门控外部参考时钟。如果在FDC2214处于睡眠或关断模式时时钟未关闭，则这些模式下的功耗将显着增加，如表 3 所示。时钟转换导致器件输入引脚漏电流增加，当与正常模式电流相比，但在添加到较低功率模式电流时非常重要。

表3 ：每个状态下的电流消耗，不包括外部参考时钟

占空比测量

正如预期的那样，图 2 显示了电流消耗和 RCOUNT 之间的近似线性关系。由于 RCOUNT 与传感器转换时间直接相关，因此较低的 RCOUNT 会导致更短的转换时间，并允许设备花费更少的时间主动运行和更多的时间处于睡眠模式（每个采样周期）。对于给定的采样率，较低的 RCOUNT 消耗更少的电流，而较高的 RCOUNT 消耗更多的电流。理解这种关系的另一种方法是，如果 RCOUNT 保持不变但采样率发生变化，则以较高速率采样的FDC2214比以较低速率采样的FDC2214消耗更多功率。

图 2：在指定采样率下不同 RCOUNT 值的电流消耗

概括

占空比和时钟门控是降低功耗的有效技术。为确保流经器件的电流最小，请在器件处于低功耗模式时关闭用作参考时钟的外部振荡器。不同采样率下不同 RCOUNT 值的结果电流值遵循预期趋势。此外，TI 提供的FDC211x/FDC221x 电流消耗估算器可用作估算最坏情况功耗情况的参考工具。