跟上無(wú)代碼的喚醒定時(shí)器

引言

我們都見(jiàn)過(guò)那類用所謂延時(shí)拍攝方法拍攝自然景觀的視頻，這類視頻用幾秒鐘時(shí)間展現(xiàn)發(fā)生時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的事件。從花開(kāi)到漂浮的祥云，與用來(lái)觀看視頻幀的序列相比，延時(shí)拍攝以慢得多的速度捕捉視頻幀。在延時(shí)拍攝時(shí)，攝像機(jī)由內(nèi)部或外部定時(shí)曝光控制計(jì)觸發(fā)，該控制計(jì)計(jì)算時(shí)間間隔，并按特定周期啟動(dòng)攝像機(jī)。除了延時(shí)拍攝視頻，定時(shí)曝光控制計(jì)還可以調(diào)節(jié)，以迅速拍攝多幅圖像，最終形成一幅疊置的圖像，例如流星的軌跡，或者為一次性事件的拍攝提供延遲。

定時(shí)曝光控制計(jì)只是多種類型電子定時(shí)設(shè)備之一，這類設(shè)備通常僅通電片刻，而大部分時(shí)間是斷電的，以節(jié)省能耗。類似應(yīng)用包括灌溉控制、“心跳”定時(shí)器、能量收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (例如應(yīng)變計(jì)或熱電偶測(cè)量?jī)x)。當(dāng)然，在這類系統(tǒng)中，不是所有電子組件都可以停機(jī)，至少有一個(gè)組件必須保持一天 24 小時(shí)和一周七天接通，以跟蹤時(shí)間。因此，這類系統(tǒng)的周期性行為導(dǎo)致需要可靠的定時(shí) IC 提供一套特殊的功能。

一談到電子計(jì)時(shí)，通常首先進(jìn)入腦海的組件是實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC) 或微控制器。不過(guò)，對(duì)于定時(shí)準(zhǔn)確度不在設(shè)計(jì)師優(yōu)先考慮之列的應(yīng)用而言，這類組件也許不合適。此外，這類解決方案耗電量往往相對(duì)較大、需要編碼以及可能會(huì)占用大量電路板空間，尤其在需要額外的邏輯電路時(shí)。另一方面，這類應(yīng)用也許需要一個(gè)支持高壓、具低靜態(tài)電流和易于配置的解決方案。這正是凌力爾特公司 LTC2956 發(fā)揮作用的地方，某些“周期性”應(yīng)用需要同時(shí)控制時(shí)間和供電，LTC2956 則是一款專門(mén)為這種情況優(yōu)化電路性能而設(shè)計(jì)的集成電路。

LTC2956 簡(jiǎn)介

LTC2956 是一款具按鈕控制、高度可配置的微功率喚醒定時(shí)器。該器件控制執(zhí)行周期性任務(wù)系統(tǒng)的供電，例如以延時(shí)拍攝方法拍照的任務(wù)。完成任務(wù)以后，LTC2956 斷開(kāi)系統(tǒng)以降低功耗。LTC2956 可配置為無(wú)限次重復(fù)這種接通 / 斷開(kāi)周期，或者配置為僅接通 / 斷開(kāi)系統(tǒng)一次。

圖 1 顯示在一個(gè)典型應(yīng)用中，LTC2956 是怎樣與其他部分連接的，圖中 LTC2956 控制由一個(gè) LDO 調(diào)節(jié)的系統(tǒng)電源，同時(shí)還與微處理器通信。電源來(lái)自主電源軌，在圖中所示情況下是電池，當(dāng) LDO 斷開(kāi)時(shí)，電源僅吸取 800nA，而在 LDO 接通時(shí)，吸取 3µA。輸入電源可以低至 1.5V 至高達(dá) 36V，這非常適合單節(jié)和多節(jié)電池應(yīng)用。

圖 1：具按鈕控制的外部可調(diào)喚醒定時(shí)器 LTC2956

LTC2956 的所有可調(diào)定時(shí)參數(shù)都是用外部電阻器或電容器設(shè)定的。連接至 PERIOD 和 RANGE 引腳的電阻器允許用戶設(shè)定喚醒定時(shí)器周期，范圍為 250ms 至 39 天。在攝影應(yīng)用中，定時(shí)曝光控制計(jì)可設(shè)定為每隔 250ms 快速連續(xù)拍照，或每 39 天拍照一次。連接至 LONG 引腳的電阻器允許用戶設(shè)定，一個(gè)可選按鈕必須按下多長(zhǎng)時(shí)間，才能使喚醒定時(shí)器停機(jī);這個(gè)功能非常適合具備以下特點(diǎn)的應(yīng)用：系統(tǒng)也許需要按照命令偶爾加電或斷電。同一個(gè) LONG 引腳也可用來(lái)在喚醒定時(shí)器運(yùn)行或停止運(yùn)行時(shí)，選擇 LTC2956 加電時(shí)的行為方式。最后，ONMAX 引腳上的電容器限制系統(tǒng)可以接通多長(zhǎng)時(shí)間，通過(guò)防止任一系統(tǒng)永遠(yuǎn)錯(cuò)誤地保持在接通狀態(tài)，起到了自動(dòng)防止故障的作用。

LTC2956 具備無(wú)代碼可調(diào)性，因此無(wú)論在制造商或消費(fèi)者層面，產(chǎn)品的接通 / 斷開(kāi)定時(shí)都能夠非常容易地調(diào)節(jié)。例如，某個(gè)制造商可以設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品系列，其中每個(gè)產(chǎn)品的定時(shí)參數(shù)都不同，通過(guò)簡(jiǎn)單地復(fù)制和粘貼 LTC2956 設(shè)計(jì)，為每個(gè)產(chǎn)品選定不同的電阻器值，就可以完成這樣一個(gè)產(chǎn)品系列的設(shè)計(jì)。相比之下，制造商還可以僅生產(chǎn)一種產(chǎn)品，而將這種可調(diào)性傳遞給消費(fèi)者，通過(guò)在電路板上安排所有不同的電阻器組合，將通過(guò)跨接線和開(kāi)關(guān)來(lái)配置最終產(chǎn)品的工作留給消費(fèi)者。無(wú)論制造商選擇了哪種方式，都不需要編程。

了解 LTC2956

LTC2956 的好處非常明顯，低壓和高壓系統(tǒng)的接通 / 斷開(kāi)定時(shí)可以非常容易地調(diào)節(jié)，能耗總是最低的。不過(guò)，在利用這些好處之前，潛在用戶需要了解 LTC2956 是否能夠真正達(dá)到產(chǎn)品的所有功能要求。也就是，LTC2956 提供哪些工作模式? 有哪些握手信號(hào)可用? 了解這些問(wèn)題的答案，有助于決定 LTC2956 最終能否納入下一個(gè)設(shè)計(jì)中。

圖 2 顯示了 LTC2956 的簡(jiǎn)化狀態(tài)圖，其中 IC 可以配置為自動(dòng)加電進(jìn)入運(yùn)行 (RUN) 模式 (喚醒定時(shí)器運(yùn)行) 或停機(jī) (SHUTDOWN) 模式 (喚醒定時(shí)器停止運(yùn)行)。如果 LONG 引腳電壓高于 VCC/2，那么 LTC2956 加電進(jìn)入運(yùn)行模式，并在喚醒 (Awake) 和休眠 (Sleep) 狀態(tài)之間循環(huán)。在喚醒狀態(tài)時(shí)，EN 引腳被拉高以接通系統(tǒng)，且自動(dòng)防止故障的 ONMAX 定時(shí)器啟動(dòng)。只有任務(wù)已完成 (且微處理器將 /SLEEP 輸入引腳拉低)，或者只有 ONMAX 定時(shí)器到期，才退出喚醒狀態(tài)。在休眠狀態(tài)，EN 引腳被拉低以關(guān)斷系統(tǒng)，只有喚醒定時(shí)器到期，或者只有系統(tǒng)由于按鈕短按或微處理器將 /SLEEP 拉高而被強(qiáng)制接通，LTC2956 才退出休眠狀態(tài)。只要檢測(cè)到按鈕長(zhǎng)按，LTC2956 就退出任何狀態(tài)，進(jìn)入停機(jī)模式。

如果 LONG 引腳電壓低于 VCC/2，那么 LTC2956 就加電進(jìn)入停機(jī)模式，在這種模式時(shí)，除處于非常低功率模式的 LTC2956 以外，所有系統(tǒng)組件都斷電以降低能耗。對(duì)于煙霧報(bào)警器等付運(yùn)時(shí)已安裝了電池的產(chǎn)品而言，這種模式尤其有用。處于這種模式時(shí)，需要短按按鈕才能接通系統(tǒng)，啟動(dòng)喚醒定時(shí)器進(jìn)入運(yùn)行模式。無(wú)論何時(shí)，只要 LTC2956 從停機(jī)模式進(jìn)入運(yùn)行模式，/ONALERT 輸入引腳就被拉低，以通知系統(tǒng)執(zhí)行加電初始化例程。類似地，無(wú)論何時(shí)，只要 LTC2956 從運(yùn)行模式進(jìn)入停機(jī)模式，/OFFALERT 輸出引腳就被拉低，以在停機(jī)之前向系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，或連接至一個(gè) LED，以可視方式指示系統(tǒng)接通 / 斷開(kāi)狀態(tài)。

圖 2：LTC2956 簡(jiǎn)化功能狀態(tài)圖

LTC2956 與被動(dòng)式和主動(dòng)式系統(tǒng)均兼容。在被動(dòng)式系統(tǒng)中，可能沒(méi)有微控制器或 FPGA 可用來(lái)管理 LTC2956 的 /SLEEP 引腳，因此可調(diào) ONMAX 定時(shí)器決定喚醒時(shí)長(zhǎng)，這個(gè)喚醒時(shí)長(zhǎng)顯然應(yīng)該設(shè)定為比系統(tǒng)完成其周期性任務(wù)所花的最長(zhǎng)預(yù)期時(shí)間要長(zhǎng)。圖 3a 顯示了一個(gè)采用 LTC2956 被動(dòng)式系統(tǒng)的定時(shí)圖。當(dāng)?shù)竭_(dá)可調(diào)喚醒時(shí)刻 (tPERIOD) 時(shí)，LTC2956 進(jìn)入喚醒狀態(tài)，并將 EN 輸出拉高以接通系統(tǒng);此外，喚醒定時(shí)器重新啟動(dòng)，且 ONMAX 定時(shí)器 (tONMAX) 開(kāi)始運(yùn)行。一旦 ONMAX 定時(shí)器到期，LTC2956 就重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，并將 EN 輸出拉低。

在主動(dòng)式系統(tǒng)中，有微控制器或 FPGA，系統(tǒng)可以切換 LTC2956 的 /SLEEP 引腳，以在完成其周期性任務(wù)后，立即終止喚醒狀態(tài)。這使喚醒時(shí)長(zhǎng)保持最短，降低了功耗。圖 3b 顯示了一個(gè)采用 LTC2956 的主動(dòng)式系統(tǒng)的定時(shí)圖。當(dāng)?shù)竭_(dá)喚醒時(shí)刻時(shí)，LTC2956-1 進(jìn)入喚醒狀態(tài)，并將 EN 輸出拉高，以接通系統(tǒng);此外，喚醒定時(shí)器重新啟動(dòng)，ONMAX 定時(shí)器開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)完成其周期性任務(wù)時(shí)，一旦微控制器或 FPGA 向 /SLEEP 引腳發(fā)出脈沖信號(hào)，LTC2956 就重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。

圖 3a：/SLEEP 保持低電平 (被動(dòng)式系統(tǒng)) 時(shí) LTC2956 的工作情況

圖 3b：/SLEEP 切換 (主動(dòng)式系統(tǒng)) 時(shí) LTC2956 的工作情況

也許辨別 LTC2956 是處于停機(jī)模式 (喚醒定時(shí)器停止運(yùn)行) 還是休眠狀態(tài) (喚醒定時(shí)器運(yùn)行) 并不容易，因?yàn)樵谶@兩種模式時(shí)，系統(tǒng)都關(guān)斷 (EN 輸出被拉低)，LTC2956 消耗不到 1µA 的電源電流。為了確保喚醒定時(shí)器處于運(yùn)行模式而不是停機(jī)模式，用戶可以短按按鈕一次，以強(qiáng)制 EN 輸出為高，同時(shí)如果 LTC2956 當(dāng)下處于停機(jī)模式，也強(qiáng)制其進(jìn)入運(yùn)行模式。此外，按動(dòng)按鈕總是會(huì)使喚醒定時(shí)器重新啟動(dòng)，這在手動(dòng)同步喚醒時(shí)刻與外部事件時(shí)會(huì)很有用。換句話說(shuō)，一旦外部事件發(fā)生，短按按鈕就會(huì)接通系統(tǒng)，而下一次接通則在其后的 tPERIOD 起始時(shí)刻。

回到我們舉過(guò)的攝影定時(shí)曝光控制計(jì)的例子，圖 4 顯示了 LTC2956 怎樣應(yīng)用到這類應(yīng)用中。這里采取被動(dòng)式模式，因此通過(guò)將 /SLEEP 引腳連接至地來(lái)禁止該引腳，而 ONMAX 引腳上的 10nF 電容器將定時(shí)曝光控制計(jì)的最長(zhǎng)接通時(shí)間設(shè)定為 133ms，對(duì)于拍攝一幅照片，這個(gè)時(shí)間足夠充裕了。同時(shí)，不同電阻值的電阻器在 RANGE 引腳上并聯(lián)，每個(gè)電阻器都對(duì)應(yīng)于一個(gè)定時(shí)曝光控制計(jì)在“喚醒”和進(jìn)行下一次拍照之前必須“休眠”的時(shí)長(zhǎng)。用戶可以轉(zhuǎn)動(dòng)定時(shí)曝光控制計(jì)上的旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，以選擇想要的周期，并按下按鈕開(kāi)關(guān) (該開(kāi)關(guān)會(huì)提供 ±25kV ESD 保護(hù))，以接通 / 斷開(kāi)定時(shí)曝光控制計(jì)。

圖 4：用在微功率延時(shí)拍攝定時(shí)曝光控制計(jì)中的 LTC2956

結(jié)論

LTC2956 是一款電子喚醒定時(shí)器，可滿足需要延遲或周期性喚醒的多種應(yīng)用之需求。當(dāng)在休眠狀態(tài)倒計(jì)時(shí)的時(shí)候，電流消耗最大限度減小至僅為 800nA，而當(dāng)定時(shí)器根本不運(yùn)行時(shí)，進(jìn)一步減小至 300nA。因?yàn)樗卸〞r(shí)調(diào)節(jié)都是通過(guò)外部電容器和電阻器進(jìn)行的，所以無(wú)需編碼。堅(jiān)固的按鈕接口允許用戶旁路定時(shí)器，并按照命令接通或關(guān)斷系統(tǒng)。4 個(gè) I/O 信號(hào)可用來(lái)在主動(dòng)式系統(tǒng)中連接微處理器或 FPGA，而可調(diào) ONMAX 定時(shí)器還可用來(lái)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式系統(tǒng) (或者作為自動(dòng)防止故障機(jī)制實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式系統(tǒng))。LTC2956 采用 12 引線 3mm x 3mm QFN 和 MSOP 封裝，是一款關(guān)注空間利用的 IC，簡(jiǎn)化并優(yōu)化了具特殊定時(shí)要求的設(shè)計(jì)。