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傳感器能效推動系統(tǒng)的未來
傳感器能效推動系統(tǒng)的未來
隨著系統(tǒng)變得更加以數(shù)據(jù)為中心，工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、家庭醫(yī)療可穿戴設(shè)備、健身和健康監(jiān)測器正在經(jīng)歷爆炸式增長。這些以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)對更多功能和更低功耗的需求不斷增長。
這一趨勢是由智能系統(tǒng)驅(qū)動的，這些系統(tǒng)主動監(jiān)控人員或環(huán)境，以通過警報、行動或推薦操作做出預(yù)測性響應(yīng)。響應(yīng)與提供的數(shù)據(jù)一樣好，這就是為什么這些系統(tǒng)需要通過單個傳感器或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集大量高精度數(shù)據(jù)的原因。
設(shè)計傳感器應(yīng)用的工程師面臨的挑戰(zhàn)是需要一種占用空間最小的傳感器模塊，同時保持高精度和延長電池壽命。為此，有兩種思想流派：最大限度地提高組件和系統(tǒng)操作的功率效率，或者投資于新的低功率架構(gòu)。第一種方法有望幫助設(shè)計人員在短期內(nèi)實現(xiàn)他們的目標(biāo)，方法是開發(fā)在電池充電后運行時間更長的系統(tǒng)，使他們的反應(yīng)更快、更準(zhǔn)確。
最大限度地提高電源效率
圖 1：當(dāng)前一代 AI 系統(tǒng)使用上述傳感器框圖中描述的設(shè)計。
上面的圖 1 顯示了傳感器應(yīng)用的典型框圖。該解決方案的四個基本模塊是系統(tǒng)電源、傳感器、傳感器信號放大和信號處理。選擇合適的設(shè)備對于最大限度地延長傳感器模塊的電池壽命至關(guān)重要。讓我們仔細(xì)看看每個模塊，看看可以做些什么來提高電源效率并提供更精確的測量。
傳感器選擇
首先要考慮的是傳感器。當(dāng)今的傳感器模塊中使用了兩種主要類型的傳感器。這些是單端和差分傳感器。單端傳感器包括用于血糖、氣體傳感和可穿戴醫(yī)療傳感器的電化學(xué)傳感器。差分傳感器通常在工業(yè)壓力或力應(yīng)用、工業(yè)溫度應(yīng)用以及醫(yī)療應(yīng)用中的空氣管線和閉塞傳感器等應(yīng)用中使用儀表放大器。這些在醫(yī)用胰島素泵和空氣在線檢測器中很常見。
更常見的傳感器類型是電化學(xué)傳感器。這些是低功率傳感器，包括血糖傳感器，數(shù)以百萬計的糖尿病患者使用它們來控制血糖水平。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、用于機油降解的酒精傳感器和用于檢測爆炸物的傳感器。
電化學(xué)傳感器的大多數(shù)應(yīng)用都是便攜式和電池供電的。雖然家用二氧化碳傳感器通?？梢允褂梦宓狡吣?，但它可能每六個月到一年需要更換一次新電池。為了延長電池壽命，制造商使用最新的低功耗設(shè)備，從電池消耗的電流最小。
接下來是仔細(xì)研究特定類型的電化學(xué)傳感器，即乙醇傳感器并了解其工作原理。
乙醇傳感器操作
圖 1 中使用的乙醇傳感器是一種電流型氣體傳感器，它產(chǎn)生的電流與氣體的體積分?jǐn)?shù)成正比。它是一種三電極裝置，在工作（或傳感）電極 (WE) 處測量乙醇。對電極 (CE) 完成電路，而參比電極 (RE) 在電解液中提供穩(wěn)定的電化學(xué)電位，電解液不會暴露在乙醇中。在 SPEC 傳感器的情況下，+600mV 偏置電壓被施加到 RE。
由于許多電化學(xué)傳感器需要固定偏置才能正常工作，因此它們對電池壽命造成了額外的負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)在，考慮系統(tǒng)的功率要求。
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。需要小尺寸的電池供電解決方案的典型目標(biāo)是使用單個 1.5V 電池。使用單節(jié)電池會降低容量，影響傳感器的使用壽命。那么，如何優(yōu)化單體電池的使用壽命呢？
充滿電后，在其使用壽命開始時，單節(jié)電池的電壓為 1.5V。該電壓隨著時間的推移逐漸下降，直到達(dá)到 0.9V 的使用壽命。為了最大限度地延長單節(jié)電池的使用壽命，應(yīng)用必須在 0.9V 至 1.5V 之間運行，以獲得最長的應(yīng)用運行時間。由于其他系統(tǒng)組件的工作電壓為 1.8V，因此選擇 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器以最大限度地提高工作和待機電流效率并在 0.9V 至 1.5V 工作范圍內(nèi)工作非常重要。
95% 的高效率并不是高效電源轉(zhuǎn)換的唯一考慮因素。升壓穩(wěn)壓器還必須在很寬的電流范圍內(nèi)高效。這可以實現(xiàn)更低的靜態(tài)電流 (IQ) 并減少操作期間的散熱。由于應(yīng)用大部分時間都處于待機模式，因此升壓轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載待機狀態(tài)下的效率對于延長電池壽命至關(guān)重要。關(guān)斷功能還可以通過關(guān)閉部分電路來大大降低功耗，從而將電流消耗降低到單納安范圍。
信號鏈解決方案
傳感器通常會產(chǎn)生微伏級的微弱輸出信號，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要伏特級的信號。這使得選擇低功耗、高精度放大器成為設(shè)計中的下一個重要考慮因素。
低功率放大器的兩個重要方面是電流消耗和工作電壓，因為許多傳感器需要偏置電流來保持精度。這需要應(yīng)用程序的傳感器部分處于開啟狀態(tài)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)電池工作，無需升壓轉(zhuǎn)換器。
通常，在選擇低功率放大器時會進行權(quán)衡，這會導(dǎo)致精度降低。但有些低功率放大器即使在低工作電流和電壓下也能保持高準(zhǔn)確度。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 量級的電壓漂移以及皮安范圍內(nèi)的輸入偏置電流。
將低功耗微控制器與集成式 ADC 相結(jié)合，可創(chuàng)建低功耗傳感器解決方案，最大限度地延長電池壽命，同時保持較小的應(yīng)用占位面積。
乙醇傳感器解決方案測量
除了設(shè)備級的改進，系統(tǒng)架構(gòu)還可以優(yōu)化，以在相同精度的測量水平下實現(xiàn)更低的功耗。為了證明這一點，我們將提供兩個使用類似設(shè)備的乙醇傳感器解決方案的實驗室測量結(jié)果，以及一個顯示節(jié)能的未來傳感器解決方案的理論測量結(jié)果。
本實驗使用下面列出的設(shè)備，這些設(shè)備對于乙醇電化學(xué)傳感器測量具有相同的占空比。
SPEC電化學(xué)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，具有 True Shutdown?
MAX6018A 1.8V 精密電源、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. 1.8V 傳統(tǒng)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，該電池使用高效升壓轉(zhuǎn)換器為乙醇傳感器、運算放大器和帶有 ADC 的微處理器提供 1.8V 系統(tǒng)電源。0.1% 的有源占空比由微控制器控制，微控制器喚醒進行測量，然后返回睡眠模式。
處于待機模式的傳感器利用升壓轉(zhuǎn)換器為處于睡眠模式的傳感器、運算放大器和微控制器保持供電。在待機狀態(tài)下，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。在激活狀態(tài)下，系統(tǒng)會在短時間內(nèi)消耗 14mA。由于活動狀態(tài)僅出現(xiàn) 0.1% 的時間，計算出的活動和待機組合模式的平均電流為 164μA，這是實際傳感器應(yīng)用的典型值。
1V 放大器系統(tǒng)
圖 3. 下一代 1V 放大器傳感器解決方案
在1V放大器方案中，SPEC乙醇傳感器和MAX40108 1V運算放大器都直接與電池相連。這需要放大器可以在低至 0.9V 的電壓下工作，保持高精度并最大限度地延長單節(jié)電池的電池壽命。
其余電路與升壓穩(wěn)壓器類似，可為微控制器供電并支持 1.8V 電路。在此配置中，電流大幅降低至 81.9 μA，降低了 45%，平均電流降低至 95.7μA，降低了 41.79%。因此，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)
圖 4. 未來派 1V 傳感器系統(tǒng)解決方案
在這個未來派的 1V 信號鏈解決方案中，放大器、ADC 和微控制器都可以在低至 0.9V 的電壓下工作，同時保持高精度。這使得整個信號鏈解決方案能夠由單節(jié)電池供電，從而無需升壓轉(zhuǎn)換器，從而最大限度地延長傳感器解決方案的電池壽命。
結(jié)論
隨著對更智能的 AI 系統(tǒng)需求的增長，對具有附加功能、更高準(zhǔn)確度和更長使用壽命的傳感器的需求也在增長。傳感器必須提供小尺寸的解決方案，既可以由個人佩戴，也可以聯(lián)網(wǎng)在一起，以確定人員、生產(chǎn)車間、建筑物或城市的健康狀況，從而使系統(tǒng)能夠主動而不是被動。更進一步，對于從采用這些下一代系統(tǒng)中受益的人來說，主動性可以帶來更好的健康、更低的成本、更高的生產(chǎn)力和更高的安全性。
在支持 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 制造商正在開發(fā)低功耗傳感器構(gòu)建模塊，以幫助當(dāng)今的工程師創(chuàng)建未來更智能、更高效的系統(tǒng)。