與電池供電應(yīng)用相比較，交流電供電應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)似乎并不引起設(shè)計(jì)師的關(guān)注，實(shí)際上這類應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)也很重要，這涉及到系統(tǒng)的成本、散熱和可靠性等問(wèn)題。本文分別通過(guò)從微控制器、可控硅驅(qū)動(dòng)、電源設(shè)計(jì)和用戶界面設(shè)計(jì)幾個(gè)方面探討了交流電供電應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)思路。

        設(shè)計(jì)交流電供電應(yīng)用的難點(diǎn)并不是高電壓或危險(xiǎn)的大電流，而是如何為低電壓元器件提供簡(jiǎn)單而高效的電源。通常，要為控制部分提供50毫瓦的功率，電源的功耗可能就要超過(guò)2～3W。熱損耗不僅增加了電源的成本，而且使機(jī)箱過(guò)熱。這也說(shuō)明了為什么在設(shè)計(jì)低成本交流電供電的控制應(yīng)用時(shí)，充分利用每一種能夠降低功耗的特性和技術(shù)是如此重要。

采用低功耗微控制器、三端雙向可控硅
和LCD顯示界面的應(yīng)用實(shí)例。

微控制器的低功耗技術(shù)

        設(shè)計(jì)時(shí)要降低功耗首先要選擇正確的微控制器。盡管過(guò)去的CMOS微控制器聲稱是低功耗的，但只有針對(duì)電池供電設(shè)計(jì)的新型低功耗微控制器才能提供有效的電源管理。這些新型微控制器所具備的一些特性可以顯著降低設(shè)計(jì)中的電流消耗，這些特性包括：

      新型低功耗微控制器專門針對(duì)小電流工作而進(jìn)行了優(yōu)化，因此比過(guò)去的CMOS微控制器消耗的電流�。�
      新型微控制器可以選擇較低的時(shí)鐘頻率，從而可以進(jìn)一步降低電流消耗；
      新型微控制器工作電壓更低，也降低了電流消耗；
      新型微控制器的休眠模式可以大大降低電流消耗。

        事實(shí)上，所有這些新特性在為電池供電應(yīng)用設(shè)計(jì)的新型微控制器系列中是很常見(jiàn)的，Microchip的納瓦技術(shù)微控制器就是這種新型低功耗微控制器。該系列微控制器是專門為減小電流消耗而設(shè)計(jì)的，主要通過(guò)降低工作電流、選用較低的時(shí)鐘頻率以及關(guān)斷機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。正是有了這四個(gè)特性，通過(guò)采用新型低功耗納瓦技術(shù)，使微控制器工作在3V電壓和32kHz時(shí)鐘的情況下，電流消耗將從過(guò)去CMOS微控制器的1～2mA降到18μA以下，而且有一半時(shí)間都處于睡眠狀態(tài)。

        需要特別指出的是，電流的降低主要?dú)w功于采用了32kHz時(shí)鐘，以及微控制器有50%的時(shí)間都處于睡眠模式。常見(jiàn)的問(wèn)題是：“這些特性是否會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)造成局限呢？”

        答案是否定的。典型的交流電供電應(yīng)用工作在60Hz左右(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)為50Hz)的交流電頻率時(shí)序上。工作在32kHz時(shí)鐘頻率的微控制器仍然在60Hz電源的每個(gè)周期內(nèi)具有超過(guò)136個(gè)指令周期。如果微控制器僅僅需要在60Hz交流電源的過(guò)零點(diǎn)之后延遲適當(dāng)?shù)臅r(shí)間來(lái)觸發(fā)三端雙向可控硅(TRIAC)的話，這足夠了。對(duì)于微控制器來(lái)說(shuō)，唯一對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格要求的部分是用戶接口。但即使是這一功能的操作時(shí)間也在數(shù)十至數(shù)百毫秒的范圍。因此，很少情況下會(huì)需要快速時(shí)鐘或更多的指令周期。

        然而，如果微控制器確實(shí)需要較高的速度，那么通常通過(guò)軟件來(lái)控制可變時(shí)鐘結(jié)構(gòu)。這意味著微控制器可以根據(jù)當(dāng)前任務(wù)來(lái)選擇自己的時(shí)鐘。如果僅僅是監(jiān)視按鈕狀態(tài)和等待過(guò)零點(diǎn)，那么可以運(yùn)行在節(jié)能的32kHz時(shí)鐘頻率。如果需要完成復(fù)雜的浮點(diǎn)計(jì)算，那么只需采用較高頻率的時(shí)鐘，當(dāng)運(yùn)算完成后再回到低功耗狀態(tài)下的時(shí)鐘頻率。這種時(shí)鐘頻率的自我控制使微控制器可根據(jù)需要控制電流消耗，適應(yīng)可能遇到的任何情況。

窄脈沖驅(qū)動(dòng)可控硅

        由于三端雙向可控硅的鎖定特性和雙向開(kāi)關(guān)功能，交流電源的開(kāi)關(guān)經(jīng)常采用三端雙向可控硅器件。遺憾的是，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忘記了TRIAC的鎖定特性能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)帶來(lái)的好處。三端雙向可控硅通過(guò)的電流一旦超過(guò)最小維持電流，TRIAC就會(huì)鎖定，控制端的偏置電流就可以停止，從而可以大大節(jié)省電流。事實(shí)上，對(duì)于敏感的三端雙向可控硅器件來(lái)說(shuō)，只要在可控硅的控制端加一個(gè)持續(xù)300μS時(shí)間的3mA偏置電流脈沖，就可以使可控硅在波形的整個(gè)半周期內(nèi)導(dǎo)通。而3mA的電流脈沖平均到60Hz半周期內(nèi)，實(shí)際上相當(dāng)于不到100μA的持續(xù)電流。因此，與傳統(tǒng)的控制三端雙向可控硅的方案相比，采用窄脈沖驅(qū)動(dòng)可控硅可以節(jié)約幾乎96%的電流。

用戶界面

        傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常采用小電流LED用于用戶界面指示。然而，