如何在傳感器模塊最小化同時(shí)保證更高的電源效率？

隨著系統(tǒng)變得越來(lái)越以數(shù)據(jù)為中心，工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、家庭醫(yī)療可穿戴式、健身和健康方面的監(jiān)控器正在經(jīng)歷爆炸性增長(zhǎng)。這些以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)對(duì)更多功能和更低功耗的需求不斷增加。該趨勢(shì)由智能系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，這些系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)監(jiān)視一個(gè)人或環(huán)境，并做出預(yù)測(cè)性的響應(yīng)，包括告警、動(dòng)作或推薦的操作。響應(yīng)的好壞取決于所提供的數(shù)據(jù)，這些系統(tǒng)需要通過(guò)單個(gè)傳感器或無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集大量高精度數(shù)據(jù)的原因正在于此。

傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)是需要占板面積最小化的傳感器模塊，同時(shí)保持高精度并延長(zhǎng)電池壽命。為了解決這個(gè)挑戰(zhàn)，有兩種應(yīng)對(duì)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(gòu)。第一種方法致力于開(kāi)發(fā)依靠電池工作更長(zhǎng)時(shí)間并提供更高響應(yīng)度和精度的系統(tǒng)，有望幫助設(shè)計(jì)人員在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。

最大化電源效率

圖1. 當(dāng)前AI系統(tǒng)使用的設(shè)計(jì)如上面的傳感器框圖所示。

上面的圖1顯示了傳感器應(yīng)用的典型框圖。解決方案的四個(gè)基本模塊是系統(tǒng)電源、傳感器、傳感器信號(hào)放大和信號(hào)處理。選擇合適的器件對(duì)于最大化傳感器模塊的電池壽命至關(guān)重要。下面我們仔細(xì)研究每個(gè)模塊，看看可以做些什么來(lái)提高電源效率并提供更精確的測(cè)量。

傳感器選擇

第一個(gè)考慮是傳感器。當(dāng)今傳感器模塊中使用的傳感器主要有兩種類(lèi)型：?jiǎn)味藗鞲衅骱筒罘謧鞲衅鳌味藗鞲衅靼ㄓ糜谘菣z測(cè)的電化學(xué)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(yīng)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(yīng)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(cè)器中很常見(jiàn)。

更常見(jiàn)的傳感器類(lèi)型是電化學(xué)傳感器。這些是低功耗傳感器，包括血糖傳感器，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的糖尿病患者使用這種傳感器控制其血糖水平。其他應(yīng)用包括氣體傳感器（例如二氧化碳(CO2) 傳感器）、水質(zhì)（電導(dǎo)率、pH值等）傳感器、用于機(jī)油降解的酒精傳感器以及檢測(cè)爆炸物的傳感器。

電化學(xué)傳感器的大多數(shù)應(yīng)用是便攜式和電池供電應(yīng)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(gè)月至一年便可能需要更換新電池。為了延長(zhǎng)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(lái)我們仔細(xì)研究一種具體類(lèi)型的電化學(xué)傳感器——乙醇傳感器，并了解其工作原理。

乙醇傳感器工作原理

圖1中使用的乙醇傳感器是一個(gè)安培法氣體傳感器，其產(chǎn)生的電流與氣體的體積分?jǐn)?shù)成正比。它是一種三電極器件，乙醇在工作（或檢測(cè)）電極(WE)上測(cè)量。對(duì)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(xué)電位，它不接觸乙醇。對(duì)于SPEC傳感器，將+600mV偏置電壓施加于RE。

很多電化學(xué)傳感器需要固定的偏置才能正常工作，這給電池壽命帶來(lái)了額外的負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)在我們考慮系統(tǒng)的電源要求。

電源要求

系統(tǒng)的功率預(yù)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(biāo)是使用單節(jié)1.5V電池。使用單節(jié)電池會(huì)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(lái)優(yōu)化單節(jié)電池的工作壽命？

當(dāng)充滿(mǎn)電時(shí)，即在其壽命開(kāi)始時(shí)，單節(jié)電池為1.5V。此電壓隨著時(shí)間推移而逐漸下降，在壽命結(jié)束時(shí)為0.9V。為了最大程度地延長(zhǎng)單節(jié)電池的壽命，應(yīng)用必須在0.9V至1.5V之間運(yùn)行，才能獲得最長(zhǎng)的應(yīng)用工作時(shí)間。由于其他系統(tǒng)器件以1.8V運(yùn)行，因此必須選擇一個(gè)DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，它應(yīng)能最大程度地提高工作和待機(jī)電流效率，并能在0.9V至1.5V范圍內(nèi)運(yùn)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 (IQ)和工作過(guò)程中的熱量耗散。應(yīng)用大部分時(shí)間處于待機(jī)模式， 因此升壓轉(zhuǎn)換器在輕載待機(jī)狀態(tài)下必須具有高效率，以延長(zhǎng)電池壽命。關(guān)斷特性通過(guò)關(guān)閉部分電路將電流消耗降至nA級(jí)范圍，這也能大幅降低功耗。

信號(hào)鏈解決方案

傳感器產(chǎn)生的輸出信號(hào)通常很微弱，只有幾u(yù)V，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要V級(jí)的信號(hào)。因此，選擇低功耗、高精度放大器是設(shè)計(jì)中第二重要的考慮因素。

低功耗放大器有兩個(gè)重要方面——電流消耗和工作電壓，因?yàn)樵S多傳感器需要偏置電流以維持精度。這要求應(yīng)用的傳感器部分開(kāi)啟以保持準(zhǔn)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(wú)需升壓轉(zhuǎn)換器。

通常，選擇低功耗放大器的缺點(diǎn)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/°C級(jí)的電壓漂移以及pA級(jí)的輸入偏置電流。

低功耗微控制器與集成ADC相結(jié)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(shí)使應(yīng)用保持小尺寸。

乙醇傳感器解決方案的測(cè)量

除了器件級(jí)別的改進(jìn)之外，還可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，在相同的精密測(cè)量水平下實(shí)現(xiàn)更低的功耗。為了證明這一點(diǎn)，我們將提供使用相似器件的乙醇傳感器解決方案的兩次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，以及未來(lái)傳感器解決方案的一次理論測(cè)量，后者顯示出了節(jié)省電能的優(yōu)點(diǎn)。

該實(shí)驗(yàn)使用下面列出的器件，對(duì)于乙醇電化學(xué)傳感器測(cè)量，這些器件具有相同的占空比。

●   SPEC電化學(xué)乙醇傳感器

●   MAX40108 1V精密運(yùn)算放大器/1.8V運(yùn)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(zhǔn)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)

圖2. 上圖所示為傳統(tǒng)的1.8V傳感器系統(tǒng)解決方案。

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(yùn)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(dòng)的占空比由微控制器控制，微控制器喚醒后進(jìn)行測(cè)量，然后又回到睡眠模式。

待機(jī)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(yùn)算放大器和微控制器的電源。在待機(jī)狀態(tài)下，該系統(tǒng)消耗150.8μA的電流。在活動(dòng)狀態(tài)期間，微控制器喚醒并進(jìn)行傳感器測(cè)量。在活動(dòng)狀態(tài)下，該系統(tǒng)短時(shí)間消耗14mA?；顒?dòng)狀態(tài)僅占0.1%的時(shí)間，經(jīng)計(jì)算可知，活動(dòng)和待機(jī)模式合并的平均電流為 164μA，這是實(shí)際傳感器應(yīng)用的典型值。

1V放大器系統(tǒng)

圖3. 上圖所示為新一代1V放大器傳感器解決方案。

在1V放大器解決方案中，SPEC乙醇傳感器和MAX40108 1V運(yùn)算放大器均直接連接到電池。這需要一個(gè)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。

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(lèi)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(jié)果，使用MAX40108 1V運(yùn)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(lái)的1V信號(hào)鏈系統(tǒng)

圖4. 上面的框圖顯示了未來(lái)的1V傳感器系統(tǒng)解決方案。

在這個(gè)未來(lái)的1V信號(hào)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(shí)保持高精度水平。這使得整個(gè)信號(hào)鏈解決方案都可以由單節(jié)電池供電，從而無(wú)需升壓轉(zhuǎn)換器，傳感器解決方案的電池壽命得以最大化。

結(jié)論

人們對(duì)更智能AI系統(tǒng)的需求在增長(zhǎng)，因此對(duì)具有額外功能、更高精度和更長(zhǎng)壽命的傳感器的需求也隨之增長(zhǎng)。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(gè)人、生產(chǎn)車(chē)間、建筑物或城市的健康狀況，使系統(tǒng)能夠積極主動(dòng)響應(yīng)，而不是被動(dòng)應(yīng)對(duì)。更進(jìn)一步，對(duì)于那些受益于新一代系統(tǒng)的人而言，主動(dòng)響應(yīng)可改善健康狀況、降低成本、提高生產(chǎn)率并增強(qiáng)安全性。

在賦能AI系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，創(chuàng)新正在許多不同的層面上發(fā)生。尤其是IC制造商，它們正在開(kāi)發(fā)更低功耗的傳感器構(gòu)建模塊，以幫助今天的工程師為明天創(chuàng)建更智慧、更高效的系統(tǒng)。