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  • 由电容器供电的 MSPM0 的工作时间

    • ZHCADT3 February   2024 MSPM0C1103 , MSPM0C1103-Q1 , MSPM0C1104 , MSPM0C1104-Q1 , MSPM0G1105 , MSPM0G1106 , MSPM0G1107 , MSPM0G1505 , MSPM0G1506 , MSPM0G1507 , MSPM0G1519 , MSPM0G3105 , MSPM0G3105-Q1 , MSPM0G3106 , MSPM0G3106-Q1 , MSPM0G3107 , MSPM0G3107-Q1 , MSPM0G3505 , MSPM0G3505-Q1 , MSPM0G3506 , MSPM0G3506-Q1 , MSPM0G3507 , MSPM0G3507-Q1 , MSPM0G3519 , MSPM0L1105 , MSPM0L1106 , MSPM0L1117 , MSPM0L1227 , MSPM0L1227-Q1 , MSPM0L1228 , MSPM0L1228-Q1 , MSPM0L1303 , MSPM0L1304 , MSPM0L1304-Q1 , MSPM0L1305 , MSPM0L1305-Q1 , MSPM0L1306 , MSPM0L1306-Q1 , MSPM0L1343 , MSPM0L1344 , MSPM0L1345 , MSPM0L1346 , MSPM0L2227 , MSPM0L2227-Q1 , MSPM0L2228 , MSPM0L2228-Q1

       

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  • 由电容器供电的 MSPM0 的工作时间
  1.   1
  2.   摘要
  3.   商标
  4. 1I、C 和 t 之间的关系
  5. 2应用场景
  6. 3公式的推导
  7. 4实验验证
    1. 4.1 测试环境设置
    2. 4.2 实验结果
  8. 5注释
  9. 重要声明
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Application Note

由电容器供电的 MSPM0 的工作时间

本资源的原文使用英文撰写。 为方便起见,TI 提供了译文;由于翻译过程中可能使用了自动化工具,TI 不保证译文的准确性。 为确认准确性,请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本(控制文档)。

摘要

MSPM0 通常由带有去耦电容器的 3.3V 直流电源供电。一个常见的情况是,当直流电源不稳定时,很容易导致 MCU 停止工作。为了克服这个问题,可以选择一个外部电容器来维持电源。因此,选择合适的电容器来应对电源故障,这非常重要。本应用手册测试了不同工作电流和电容器值情况下的工作时间,并得到了这三者之间的简单模型关系,从而有助于在已知的正常工作电流下,选择合适的电源电容器。

商标

EnergyTrace™is a TM ofTI corporate name.

Other TMs

1 I、C 和 t 之间的关系

在某些情况下,可以使用电容器为 MCU 供电。但电容器能够持续多久,以及持续时间与哪些因素有关?方程式 2 给出了保持时间和电源电容之间的关系。

方程式 1. t=C×Vwork2-Vcutoff2I×Vwork+Vcutoff

其中,

t 是器件运行维护时间,

C 表示用户选择的电容值,

Vwork 是 MCU 的正常工作电压,即电容器电源的起始电压,

Vcutoff 是 MCU 停止工作时的切断电压。当电源低于欠压复位电压电平 0 (BOR0-) 时,因为只有上电复位 (POR)、带隙 (BG) 和 BOR 处于活动状态,器件会缓慢放电,这意味着 MCU 无法正常工作。根据器件特定数据表,VBOR0- 的最大值为 1.61V,I 是 MCU 的恒定工作电流,具体取决于 MCU 的工作模式和外设的工作情况。除了直接测量,此处我们还提供了两种方法。一种方法是查阅器件特定的数据表,其中包括不同工作条件下不同外设的工作电流。另一种方法是直接使用 TI 提供的 EnergyTrace™ 来计算器件的工作电流。

根据方程式 2,通过已知的工作电流可以得出 t 和 C 之间的对应关系。这为选择合适的电容器提供了参考。

2 应用场景

  • 对于电源不稳定的情况,可以使用电容器作为备用电源来支持 MCU 运行一段时间,直至电源恢复正常,或者提供一段时间来保存 MCU 的数据。
  • 在打印机墨盒中,三线系统无法满足 MCU 通信需求,因为 UART 需要两根线,VCC 需要一根线,接地需要一根线。在这里,我们可以将 VCC 端与 UART 的 TXD 进行多路复用。当 TXD 为高电平时,它可以为电容器充电并为 MCU 供电。当 TXD 变为低电平时,二极管可以将 TXD 的 VCC 端子与 MCU 分开,并依靠电容器来为 MCU 供电。

3 公式的推导

首先,该公式的前提是 MCU 的工作电流在不同的工作电压下保持一致。因此测试了不同电压下的工作电流。起始电压为 3.3V,电源电压逐渐降低,在此期间,通过在电源和 MCU 之间串联的电流表测量工作电流的变化。结果如下。图 3-1 展示了在 MCU 正常工作(VCC 大于 1.6V)时电流保持不变。此外,该器件在 run0、sleep0 和 stop0 模式下运行时,电流分别为 1.55mA、0.93mA 和 0.32mA,这些电流符合器件特定的数据表规格。

GUID-DF38CB6C-8305-4D2A-BC5B-F3CC49E3D6DA-low.jpg图 3-1 MCU 工作电流与电源电压间的关系图

通过保持恒定的电流,MCU 维持所需能量:

方程式 2. E=0.5×It×Vwork+Vcutoff

而从电容的角度来看,减少的能量可表示为:

方程式 3. E=0.5×C×Vwork2-Vcutoff2

电容器的能量用于保证 MCU 正常运行,因此方程式 2 和方程式 3 可以联系在一起,从而进一步获得设备的运行维护时间 t,该时间表示为方程式 2。

4 实验验证

4.1 测试环境设置

为了验证方程式 2 的可行性,必须先使用一个 3.3V 电容器电源来测试 MCU 的正常运行时间。因此,采用以下方法。如图 4-1 所示,通过改变 MCU1 PA25 引脚的状态,可以模拟 MCU2 的断电状态。具体而言,当 PA25 输出为高电平时,MCU2 正常供电,同时将电容器充电至 3.3V。当 PA25 处于高阻抗状态时,可以认为此时电源已断开。因此,MCU2 依靠电容器供电。

GUID-5CCED31B-2273-49C8-8F50-B43C858C68EF-low.png图 4-1 硬件连接图

对于 MSPM0L1306 LaunchPad 连接:

  • 将 USB 电缆从 MCU1 上的 micro-USB 连接器连接到 PC。
  • 连接 MCU1 PA25 和 MCU2 3.3V 电源引脚。
  • 共地连接。
  • 拔下 MCU2 中的跳线帽。

根据 LaunchPad 的 PCB,C4 和 C5(显示在图 4-2 的绿框中)作为去耦电容器,用于接地和连接 VCC。通过这种方式,C4 和 C5 符合电源电容器的连接要求,如图 4-1 所示。在以下测试中,只需更改 C4 和 C5 的电容大小即可仿真不同的电容器电源情况。

GUID-B4314E2A-217E-4EA7-BD83-ACA9C24C1ED1-low.png图 4-2 LP- MSPM0L1306 硬件板连接

对于软件设置,MCU2 在不同工作模式下运行 while(1) 代码。

每 2 秒设置一次 MCU1,以便通过计时器更改其状态。此外,同时切换另一个 GPIO 来提供电容器充电和放电启动信号。

4.2 实验结果

图 4-3 是 MCU 在 run0 模式下运行时的工作电流实验结果。EnergyTrace 和直接测量都显示 run0 电流约为 1.5mA。

GUID-9A3E852E-BE55-499A-9909-A8C001544BC9-low.png图 4-3 run0 模式下 MCU 的工作电流

使用逻辑分析仪监控 MCU2 的电源,结果如图所示。通道 1 标识 GPIO 端口,当设置为低电平时,MCU1 的 GPIO 处于高阻抗状态,MCU2 仅由电容器供电。通道 2 是电容器两侧的电压,即 MCU 的电源电压。从图中可以看出,当电压从 3.3V 降至 1.61V 时,持续时间约为 2.66ms,接近 2.56ms 的理论计算值。

GUID-40A39705-B8E2-4B38-8BC3-02CB8BF549D8-low.png图 4-4 MCU 在 run0 模式下的运行时间

表 4-1 以表格形式汇总了不同电容器在各种工作模式下的工作时间。

表 4-1 不同工作模式下的测试结果汇总
电容器 STOP0 I=0.32mA RUN0 I=1.5mA
类型 电容 测量时间 计算时间 测量时间 计算时间
钽电容器
TAJA225K010RNJ
2.2μF 12.01ms 11.55ms 2.66ms 2.56ms
钽电容器
TAJA475K010RNJ
4.7μF 23.29ms 24.68ms 5.10ms 5.48ms
钽电容器
TAJA106K010RNJ
10μF 56.72ms 56.00ms 12.33ms 11.67ms
电解电容器
ASLI-D37
10μF 53.79ms 56.00ms 11.35ms 11.67ms
电解电容器
ASLI-E13
40μF 278.95ms 263.2ms 57.59ms 54.33ms
陶瓷电容器
GRM21BR61A
2μF 12.15ms 11.2ms 12.15ms 11.20ms
陶瓷电容器
GRM21BR61A
4.3μF 22.76ms 22.58ms 4.88ms 5.02ms
陶瓷电容器
GRM21BR61A
6.3μF 34.08ms 33.08ms 7.30ms 7.35ms

从表中可以看出,理论计算值与实际测量值基本一致。出现一些误差的原因可能是:电容误差值;电表笔存在漏电情况;电缆阻抗、能量损耗等。但该误差在合理的范围内。

5 注释

选择电容器时需要注意以下几点。

  1. 注意电容器自身电容的误差。

    电容器材料。以下是 GRM188R60J106ME47(muRata, MLCC, X5R) 的直流偏置特性示例。当直流增大时,陶瓷电容器的电容会有较大的误差。在本例中,当直流偏置电压为 3.3V 时,电容误差可达到 50%。

    GUID-2F908BCB-AD6C-430A-8ECA-330B5DCFAAD5-low.png图 5-1 GRM188R60J106ME47 的直流偏置特性。

    为了进行进一步验证,我们使用该电容器来测试 MCU 的电源。该结果如图 5-2 所示。工作电流为 1.5mA,电源电容为 41.1μF。但工作时间为 29.95ms,远低于 45.76ms 的理论计算值。

    因此,在使用电容器时,必须注意电容器本身的特性。

    GUID-165D8534-C721-403B-914E-74ACACDC6EDE-low.png图 5-2 由 GRM188R60J106ME47 供电的 MCU 的工作时间

    电容器尺寸。封装尺寸会影响电介质的厚度,在施加相同电压的情况下(尤其是对于采用铁电材料作为电介质材料的陶瓷电容器),电介质的厚度越小,内部电场应力越大,从而会导致电容出现较大误差。因此,在此模型中优选具有稳定电容值的电容器。因此,在两次使用之间,请使用万用表等工具测试电容值

  2. 注意漏电的影响。

    电容器材料。与使用其他材料的电容器相比,电解电容器具有更大的漏电流。当 MCU 处于 standby0 模式时,即工作电流接近 1.5μA 时,漏电流的影响变得很明显。因此,当工作电流很小时,需要考虑漏电流。

    PCB 布局。应注意的是,电源电容器和 MCU 电源引脚之间的布线中会存在等效电阻,这将损失电容器的部分能量,因此在电容很小的情况下选择电容器时,需要考虑此因素。

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