傳感器能效推動系統的未來

2021-06-15

傳感器能效推動系統的未來

隨著系統變得更加以數據為中心，工業、物聯網、家庭醫療可穿戴設備、健身和健康監測器正在經歷爆炸式增長。這些以數據為中心的系統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驅動的，這些系統主動監控人員或環境，以通過警報、行動或推薦操作做出預測性響應。響應與提供的數據一樣好，這就是為什么這些系統需要通過單個傳感器或無線傳感器網絡收集大量高精度數據的原因。 

設計傳感器應用的工程師面臨的挑戰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操作的功率效率，或者投資于新的低功率架構。第一種方法有望幫助設計人員在短期內實現他們的目標，方法是開發在電池充電后運行時間更長的系統，使他們的反應更快、更準確。

最大限度地提高電源效率

圖 1：當前一代 AI 系統使用上述傳感器框圖中描述的設計。

上面的圖 1 顯示了傳感器應用的典型框圖。該解決方案的四個基本模塊是系統電源、傳感器、傳感器信號放大和信號處理。選擇合適的設備對于最大限度地延長傳感器模塊的電池壽命至關重要。讓我們仔細看看每個模塊，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療傳感器的電化學傳感器。差分傳感器通常在工業壓力或力應用、工業溫度應用以及醫療應用中的空氣管線和閉塞傳感器等應用中使用儀表放大器。這些在醫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傳感器。這些是低功率傳感器，包括血糖傳感器，數以百萬計的糖尿病患者使用它們來控制血糖水平。其他應用包括氣體傳感器，例如二氧化碳 (CO2) 傳感器、水質（電導率、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。 

電化學傳感器的大多數應用都是便攜式和電池供電的。雖然家用二氧化碳傳感器通常可以使用五到七年，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備，從電池消耗的電流最小。

接下來是仔細研究特定類型的電化學傳感器，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，它產生的電流與氣體的體積分數成正比。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) 在電解液中提供穩定的電化學電位，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擔。現在，考慮系統的功率要求。

電源要求

系統的功率預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是使用單個 1.5V 電池。使用單節電池會降低容量，影響傳感器的使用壽命。那么，如何優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，直到達到 0.9V 的使用壽命。為了最大限度地延長單節電池的使用壽命，應用必須在 0.9V 至 1.5V 之間運行，以獲得最長的應用運行時間。由于其他系統組件的工作電壓為 1.8V，因此選擇 DC-DC 升壓轉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 工作范圍內工作非常重要。

95% 的高效率并不是高效電源轉換的唯一考慮因素。升壓穩壓器還必須在很寬的電流范圍內高效。這可以實現更低的靜態電流 (IQ) 并減少操作期間的散熱。由于應用大部分時間都處于待機模式，因此升壓轉換器在輕負載待機狀態下的效率對于延長電池壽命至關重要。關斷功能還可以通過關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

傳感器通常會產生微伏級的微弱輸出信號，而模數轉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。這需要應用程序的傳感器部分處于開啟狀態以保持準確的讀數。此外，0.9V 至 1.5V 的低工作電壓支持單節電池工作，無需升壓轉換器。 

通常，在選擇低功率放大器時會進行權衡，這會導致精度降低。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確度。精密放大器的一些特性包括亞微伏 (μV) 輸入失調電壓、nV/?C 量級的電壓漂移以及皮安范圍內的輸入偏置電流。

將低功耗微控制器與集成式 ADC 相結合，可創建低功耗傳感器解決方案，最大限度地延長電池壽命，同時保持較小的應用占位面積。

乙醇傳感器解決方案測量

除了設備級的改進，系統架構還可以優化，以在相同精度的測量水平下實現更低的功耗。為了證明這一點，我們將提供兩個使用類似設備的乙醇傳感器解決方案的實驗室測量結果，以及一個顯示節能的未來傳感器解決方案的理論測量結果。

本實驗使用下面列出的設備，這些設備對于乙醇電化學傳感器測量具有相同的占空比。

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 同步升壓轉換器，具有 True Shutdown?

MAX6018A 1.8V 精密電源、低壓差基準電壓源

MAX32660 1.8V 超低功耗 Arm? Cortex?-M4 處理器

單節 1.5V AA 電池

傳統 1.8V 系統

圖 2. 1.8V 傳統傳感器系統解決方案 

1.8V 系統解決方案使用單節電池供電，該電池使用高效升壓轉換器為乙醇傳感器、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。在待機狀態下，系統消耗 150.8μA 的電流。在活動狀態期間，微控制器喚醒并進行傳感器測量。在激活狀態下，系統會在短時間內消耗 14mA。由于活動狀態僅出現 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，這是實際傳感器應用的典型值。

1V 放大器系統

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電池的電池壽命。

其余電路與升壓穩壓器類似，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 運算放大器的系統的電池壽命幾乎是傳統系統的兩倍。

未來的 1V 信號鏈系統 

圖 4. 未來派 1V 傳感器系統解決方案 

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電池供電，從而無需升壓轉換器，從而最大限度地延長傳感器解決方案的電池壽命。 

結論

隨著對更智能的 AI 系統需求的增長，對具有附加功能、更高準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，也可以聯網在一起，以確定人員、生產車間、建筑物或城市的健康狀況，從而使系統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、更高的生產力和更高的安全性。

在支持 AI 系統的傳感器網絡中，創新正在許多不同的層面上發生。尤其是 IC 制造商正在開發低功耗傳感器構建模塊，以幫助當今的工程師創建未來更智能、更高效的系統。