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

作者：ADI電源事業(yè)部技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要成員Tom Bui

(資料圖片)

當(dāng)前，消費(fèi)級(jí)、醫(yī)療、工業(yè)等智能監(jiān)測(cè)設(shè)備迎來爆炸性增長(zhǎng)。隨著這些設(shè)備越來越智能，逐步承擔(dān)起環(huán)境和人的主動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，并實(shí)時(shí)提供預(yù)測(cè)性響應(yīng)，包括告警、執(zhí)行或推薦操作等等。不過，智能響應(yīng)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(guān)鍵。

對(duì)于傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)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(shí)保持高精度并延長(zhǎng)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(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)。在ADI看來，第一種方法致力于開發(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)，相較下會(huì)更為簡(jiǎn)單直接。

一般來說，智能設(shè)備中傳感器是由系統(tǒng)電源、傳感器、傳感器信號(hào)放大和信號(hào)處理四個(gè)基本模塊組成。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。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(cè)量呢？

●?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型：?jiǎn)味藗鞲衅骱筒罘謧鞲衅?。單端傳感器包括用于血糖檢測(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。

更常見的傳感器類型是電化學(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，以一種具體類型的電化學(xué)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?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，這給電池壽命帶來了額外負(fù)擔(dān)。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(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優(yōu)化單節(jié)電池的工作壽命？

當(dāng)充滿電時(shí)，即在其壽命開始時(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(I_Q)和工作過程中的熱量耗散。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/℃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。

除了器件級(jí)別的改進(jìn)之外，還可以優(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)，ADI對(duì)使用相似器件的乙醇傳感器解決方案進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并對(duì)未來傳感器解決方案展開了一次理論測(cè)量，后者顯示出節(jié)省電能的優(yōu)勢(shì)。

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)

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。

圖1.傳統(tǒng)1.8V傳感器系統(tǒng)解決方案

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。活動(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)

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。

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(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。

●?未來的1V信號(hào)鏈系統(tǒng)

在未來的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(duì)智能AI系統(tǒng)的需求日益增加，并激發(fā)了對(duì)具有額外功能、更高精度和更長(zhǎng)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(gè)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(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AI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。

如今，在賦能AI系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，創(chuàng)新正在不同領(lǐng)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(gòu)建模塊，將切實(shí)推動(dòng)工程師構(gòu)建起更智慧、更高效的嶄新系統(tǒng)。

ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測(cè)、測(cè)量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認(rèn)識(shí)周圍的世界。詳情請(qǐng)瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。

關(guān)鍵詞： 解決方案 微控制器 電化學(xué)傳感器 運(yùn)算放大器