6 通過外部組件擴展用于循環(huán)喚醒的計時器

在系統(tǒng)中使用循環(huán)喚醒有許多優(yōu)勢，而用戶希望使用循環(huán)喚醒的原因很明確。目前，在 TI SBC 上實現(xiàn)的循環(huán)計時器的最大計時器周期為 2s。在許多用例中，最長 2s 就足夠了。但是，假設(shè)一個系統(tǒng)處于低功耗睡眠模式，此時主電源由電池提供。電流消耗在這些類型的應(yīng)用中至關(guān)重要，每次器件被循環(huán)計時器喚醒時，由于模式轉(zhuǎn)換到更高功耗的工作模式，電源電流都會增加。考慮到電流消耗，假定系統(tǒng)每次處于低功耗模式數(shù)小時。如果電源使用尖峰每 2 秒出現(xiàn)一次，用戶發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移會對電池電源產(chǎn)生負(fù)面影響。通常，這些設(shè)計中的替代選擇是將喚醒計時器周期增加到 2 秒以上。較長的計時器周期可減少器件在睡眠模式下的輪詢，從而降低總體電流消耗。為了增大 TCAN24xx-Q1 或 TCAN28xx-Q1 或者計時器周期配置選項受限、但仍有本地喚醒引腳的任何 TI SBC 器件的喚醒計時器周期，可采用外部設(shè)計。

乍一看，針對這種系統(tǒng)要求的設(shè)計似乎很簡單：內(nèi)部 SBC 計時器周期不夠長，因此必須使用外部計時器。外部計時器可以將輸出連接到本地 SBC WAKE 引腳，以實現(xiàn)增大喚醒計時器周期的目標(biāo)。在這種類型的應(yīng)用中，SBC 處于睡眠模式，SBC 的所有集成穩(wěn)壓器都關(guān)閉，因此在此期間外部計時器不能由 SBC 供電。這意味著計時器必須由電池供電（在汽車系統(tǒng)中通常為 12V），而 SBC 可以承受高達 28V 的電壓。按照類似的注意事項選擇外部計時器。根據(jù)輸入電壓要求，TLC3555-Q1 等 555 計時器器件可能適合使用。

圖 6-1 使用 555 計時器的擴展循環(huán)喚醒計時器

此設(shè)計基于穩(wěn)定配置中的經(jīng)典 555 計時器，可使用簡單的 RC 元件進行調(diào)優(yōu)。當(dāng) SBC 喚醒時，VCC1 輸出將打開 NMOS 并將計時器復(fù)位（強制輸出低電平）；因此在正常運行期間，555 計時器將復(fù)位。當(dāng) SBC 進入睡眠狀態(tài)時，VCC1 關(guān)斷，555 計時器開始根據(jù)電路的 RC 配置在 OUT 引腳上發(fā)送脈沖。555 計時器的此輸出脈沖可能會超過內(nèi)部 SBC 計時器上的 2s 最大值。將喚醒引腳切換為僅查找低電平-高電平-低電平脈沖，或低電平到高電平轉(zhuǎn)換。默認(rèn)情況下，許多 SBC 是邊沿檢測。

采用這種方法時，有兩個設(shè)計注意事項。第一個是 TLC3555-Q1 在電源輸入只能端承受不超過 20V 的電壓，否則器件可能損壞。在 12V 汽車系統(tǒng)中，該值通常不足以應(yīng)對常見瞬態(tài)，這也是 TI SBC 的額定電壓為 28V 的原因。第二個原因與低功耗設(shè)計有關(guān)。許多汽車應(yīng)用中的一個常見要求是休眠電流小于 100uA。12V 輸入時的 TLC3555-Q1 休眠電流在最壞情況下將介于 240uA 至 310uA 之間。如果系統(tǒng)要求使用 100uA 的限值，則使得 100uA 限值完全沒有適用空間。如果需要 100uA 休眠電流，有辦法可以解決這個問題。

圖 6-2 TI SBC 上的低功耗擴展循環(huán)喚醒計時器實現(xiàn)

調(diào)整后的設(shè)計更復(fù)雜，但基本理念與之前的理念類似。當(dāng) SBC 進入睡眠模式時，計時器開始根據(jù)計時器 RC 配置向 WAKE 引腳發(fā)送脈沖。為了實現(xiàn)更低的功耗，必須使用更低輸入電壓的計時器，例如 TPL5110-Q1。由于這是一款 5V 計時器，12V 標(biāo)稱系統(tǒng)輸入需要調(diào)節(jié)至 5V — 為了生成 5V 電源軌，可以在系統(tǒng)其余部分處于睡眠模式時使用 LDO (TPS7B81-Q1)。但是，根據(jù)電路圖，還需要考慮一些設(shè)計注意事項。R3 用于設(shè)置間隔周期，它可以介于 100ms 至 7200s（2 小時）之間。在計時器導(dǎo)通期間，DRV 引腳變?yōu)榈碗娖剑⒋蜷_將 5V 信號連接到 WAKE 引腳的 PMOS，從而啟動喚醒信號。但是，脈沖寬度如何？答案在于 DONE 引腳的運行 — 當(dāng) DONE 引腳獲得高電平有效脈沖時，DRV 引腳會返回高電平。如果未使用 DONE 引腳，則脈沖寬度（通常）等于 50ms 的間隔周期。為了能夠控制該值，增加了兩個 MOSFET：一個 PMOS (Q3) 和一個 NMOS (Q1)。在驅(qū)動周期開始時，Q3 開始將信號傳導(dǎo)至由 R1 和 C1 構(gòu)成的 RC 時序電路。當(dāng) C1 上的電壓達到適當(dāng)電平時，DRV 引腳返回高電平，關(guān)斷 Q3 但導(dǎo)通 Q1 以使 DONE 引腳電壓恢復(fù)到接地電平，從而使 Q1 可以再次重新啟動脈沖。脈沖寬度是 RC 時間常數(shù)的某個標(biāo)量倍數(shù)。但 LDO 的情況如何？為什么電路中有兩個 MOSFET 并不直接與計時器一起使用？答案很簡單：只能在睡眠模式下啟用睡眠模式 LDO。為此，兩個 NMOS 器件（Q4 和 Q5）形成一個逆變器，允許 VCC1（3.3V 或 5V）在 VCC1 激活（例如，未處于睡眠或失效防護模式）時關(guān)斷 LDO，而當(dāng) VCC1 關(guān)閉時，LDO 將導(dǎo)通并為計時器供電。這種設(shè)計可通過 VCC1 的導(dǎo)通和關(guān)斷來完全控制間隔周期、脈沖寬度和 LDO 控制。與基于 555 計時器的設(shè)計不同，此設(shè)計還有功耗節(jié)省的優(yōu)勢。