環(huán)球速遞！傳感器模塊電源效率創(chuàng)新 推動未來AI系統(tǒng)演進

作者：ADI電源事業(yè)部技術團隊主要成員Tom Bui

(資料圖片)

當前，消費級、醫(yī)療、工業(yè)等智能監(jiān)測設備迎來爆炸性增長。隨著這些設備越來越智能，逐步承擔起環(huán)境和人的主動監(jiān)測功能，并實時提供預測性響應，包括告警、執(zhí)行或推薦操作等等。不過，智能響應的優(yōu)劣，很大程度上依賴于內(nèi)置傳感器所收集數(shù)據(jù)的精度和廣度。由此，傳感器的更新迭代變得尤為關鍵。

對于傳感器應用設計工程師來說，如何利用有限的產(chǎn)品空間布局最小化的傳感器模塊，同時保持高精度并延長電池壽命，是面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了解決挑戰(zhàn)，一般有兩種應對思維：一是最大化元器件和系統(tǒng)操作的能效比，一是投資研發(fā)新型低功耗架構。在ADI看來，第一種方法致力于開發(fā)依靠電池工作更長時間并提供更高響應度和精度的系統(tǒng)，有望幫助設計人員在短期內(nèi)實現(xiàn)其目標，相較下會更為簡單直接。

一般來說，智能設備中傳感器是由系統(tǒng)電源、傳感器、傳感器信號放大和信號處理四個基本模塊組成。選擇合適的器件對于最大化傳感器模塊的電池壽命至關重要。那么如何優(yōu)化上述四大模塊，來提高電源效率并提供更精確的測量呢？

●?傳感器選擇

第一個考慮是傳感器。當今傳感器模塊中使用的傳感器主要有兩種類型：單端傳感器和差分傳感器。單端傳感器包括用于血糖檢測的電化學傳感器、氣體傳感器和可穿戴醫(yī)療傳感器。差分傳感器通常使用儀器放大器，應用包括工業(yè)壓力或力傳感器、工業(yè)溫度傳感器、醫(yī)療應用中的線內(nèi)空氣(air-inline)和阻塞傳感器等。這些在醫(yī)用胰島素泵和線內(nèi)空氣探測器中很常見。

更常見的傳感器類型是電化學傳感器。這些是低功耗傳感器，包括血糖傳感器，數(shù)以百萬計的糖尿病患者使用這種傳感器控制其血糖水平。其他應用包括氣體傳感器（例如二氧化碳(CO2)傳感器）、水質(zhì)（電導率、pH值等）傳感器、用于機油降解的酒精傳感器以及檢測爆炸物的傳感器。

電化學傳感器的大多數(shù)應用是便攜式和電池供電應用。雖然家庭CO2傳感器一般可正常使用五到七年，但大約每六個月至一年便可能需要更換新電池。為了延長電池壽命，制造商使用最新的低功耗器件，這些器件從電池消耗的電流量極小。

接下來，以一種具體類型的電化學傳感器——乙醇傳感器為例，來了解其工作原理。

●?乙醇傳感器工作原理

乙醇傳感器是一種安培法氣體傳感器，其產(chǎn)生的電流與氣體的體積分數(shù)成正比。它是一種三電極器件，乙醇在工作（或檢測）電極(WE)上測量。對電極(CE)使電路完整，而參考電極(RE)在電解質(zhì)中提供穩(wěn)定的電化學電位，它不接觸乙醇。對于SPEC傳感器，將+600mV偏置電壓施加于RE。

很多電化學傳感器需要固定的偏置才能正常工作，這給電池壽命帶來了額外負擔。由此必須考慮系統(tǒng)的電源要求。

●?電源要求

系統(tǒng)的功率預算及其電池容量，最終決定了傳感器的工作壽命。小尺寸電池供電解決方案的典型目標是使用單節(jié)1.5V電池。使用單節(jié)電池會降低容量，從而影響傳感器的工作壽命。那么，可以采取什么措施來優(yōu)化單節(jié)電池的工作壽命？

當充滿電時，即在其壽命開始時，單節(jié)電池為1.5V。此電壓隨著時間推移而逐漸下降，在壽命結束時為0.9V。為了最大程度地延長單節(jié)電池的壽命，應用必須在0.9V至1.5V之間運行，才能獲得最長的應用工作時間。由于其他系統(tǒng)器件以1.8V運行，因此必須選擇一個DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，它應能最大程度地提高工作和待機電流效率，并能在0.9V至1.5V范圍內(nèi)運行。

擁有95％的高效率不是高效電源轉(zhuǎn)換的唯一考慮因素。升壓調(diào)節(jié)器還必須能夠在寬電流范圍內(nèi)高效工作，從而降低靜態(tài)電流(I_Q)和工作過程中的熱量耗散。應用大部分時間處于待機模式，因此升壓轉(zhuǎn)換器在輕載待機狀態(tài)下必須具有高效率，以延長電池壽命。關斷特性通過關閉部分電路將電流消耗降至nA級范圍，這也能大幅降低功耗。

●?信號鏈解決方案

傳感器產(chǎn)生的輸出信號通常很微弱，只有幾uV，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要V級的信號。因此，選擇低功耗、高精度放大器是設計中第二重要的考慮因素。

低功耗放大器有兩個重要方面——電流消耗和工作電壓，因為許多傳感器需要偏置電流以維持精度。這要求應用的傳感器部分開啟以保持準確的讀數(shù)。此外，0.9V至1.5V的低工作電壓支持單節(jié)電池供電，無需升壓轉(zhuǎn)換器。

通常，選擇低功耗放大器的缺點是精度較低。但是，存在一些低功耗放大器，即使在低工作電流和電壓下，它們也能保持很高的精度水平。精密放大器的一些特性包括：亞微伏(μV)輸入失調(diào)電壓、nV/℃級的電壓漂移以及pA級的輸入偏置電流。

低功耗微控制器與集成ADC相結合，可提供一種低功耗傳感器解決方案，它能在最大化電池壽命的同時使應用保持小尺寸。

除了器件級別的改進之外，還可以優(yōu)化系統(tǒng)架構，在相同的精密測量水平下實現(xiàn)更低的功耗。為了證明這一點，ADI對使用相似器件的乙醇傳感器解決方案進行了兩次實驗測量，并對未來傳感器解決方案展開了一次理論測量，后者顯示出節(jié)省電能的優(yōu)勢。

該實驗使用下面列出的器件，對于乙醇電化學傳感器測量，這些器件具有相同的占空比。

SPEC電化學乙醇傳感器

MAX40108 1V精密運算放大器/1.8V運算放大器

MAX17220 0.4-5.5V nanoPower同步升壓轉(zhuǎn)換器，提供True Shutdown?

MAX6018A 1.8V精密、低壓差基準電壓源

MAX32660 1.8V超低功耗Arm? Cortex?-M4處理器

單節(jié)1.5V AA電池

● 傳統(tǒng)1.8V系統(tǒng)

1.8V系統(tǒng)解決方案使用單節(jié)電池供電，利用高效的升壓轉(zhuǎn)換器為乙醇傳感器、運算放大器和帶ADC的微處理器提供1.8V系統(tǒng)電源。0.1％活動的占空比由微控制器控制，微控制器喚醒后進行測量，然后又回到睡眠模式。

圖1.傳統(tǒng)1.8V傳感器系統(tǒng)解決方案

待機模式下的傳感器利用升壓轉(zhuǎn)換器維持睡眠模式下傳感器、運算放大器和微控制器的電源。在待機狀態(tài)下，該系統(tǒng)消耗150.8μA的電流。在活動狀態(tài)期間，微控制器喚醒并進行傳感器測量。在活動狀態(tài)下，該系統(tǒng)短時間消耗14mA?；顒訝顟B(tài)僅占0.1％的時間，經(jīng)計算可知，活動和待機模式合并的平均電流為164μA，這是實際傳感器應用的典型值。

●?1V放大器系統(tǒng)

在1V放大器解決方案中，SPEC乙醇傳感器和MAX40108 1V運算放大器均直接連接到電池。這需要一個能以低至0.9V的電壓工作、保持高精度水平并最大化單節(jié)電池使用壽命的放大器。

圖2.新一代1V放大器傳感器解決方案

其余電路與為微控制器供電并支持1.8V電路的升壓調(diào)節(jié)器類似。在這種配置中，電流大幅減少到81.9μA，降幅為45％；平均電流減少到95.7μ A，降幅為41.79％。結果，使用MAX40108 1V運算放大器的系統(tǒng)的電池壽命幾乎是傳統(tǒng)系統(tǒng)的兩倍。

●?未來的1V信號鏈系統(tǒng)

在未來的1V信號鏈解決方案中，放大器、ADC和微控制器均以低至0.9V的電壓工作，同時保持高精度水平。這使得整個信號鏈解決方案都可以由單節(jié)電池供電，從而無需升壓轉(zhuǎn)換器，傳感器解決方案的電池壽命得以最大化。

圖3.未來的1V傳感器系統(tǒng)解決方案

人們對智能AI系統(tǒng)的需求日益增加，并激發(fā)了對具有額外功能、更高精度和更長壽命的傳感器需求。傳感器必須提供小尺寸解決方案，既可以由人佩戴，也可以聯(lián)網(wǎng)，從而確定一個人、生產(chǎn)車間、建筑物或城市的健康狀況，使系統(tǒng)能夠積極主動響應，而不是被動應對。更進一步，對于那些受益于新一代AI系統(tǒng)的人而言，主動響應可改善健康狀況、降低成本、提高生產(chǎn)率并增強安全性。

如今，在賦能AI系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡中，創(chuàng)新正在不同領域?qū)用嫔锨娜幻劝l(fā)。尤其是以ADI為代表的IC制造商們，通過開發(fā)更低功耗的傳感器構建模塊，將切實推動工程師構建起更智慧、更高效的嶄新系統(tǒng)。

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