传感器能效推动系统的未来

2021-06-15

传感器能效推动系统的未来

随着系统变得更加以数据为中心，工业、物联网、家庭医疗可穿戴设备、健身和健康监测器正在经历爆炸式增长。这些以数据为中心的系统对更多功能和更低功耗的需求不断增长。

这一趋势是由智能系统驱动的，这些系统主动监控人员或环境，以通过警报、行动或推荐操作做出预测性响应。响应与提供的数据一样好，这就是为什么这些系统需要通过单个传感器或无线传感器网络收集大量高精度数据的原因。 

设计传感器应用的工程师面临的挑战是需要一种占用空间最小的传感器模块，同时保持高精度和延长电池寿命。为此，有两种思想流派：最大限度地提高组件和系统操作的功率效率，或者投资于新的低功率架构。第一种方法有望帮助设计人员在短期内实现他们的目标，方法是开发在电池充电后运行时间更长的系统，使他们的反应更快、更准确。

最大限度地提高电源效率

图 1：当前一代 AI 系统使用上述传感器框图中描述的设计。

上面的图 1 显示了传感器应用的典型框图。该解决方案的四个基本模块是系统电源、传感器、传感器信号放大和信号处理。选择合适的设备对于最大限度地延长传感器模块的电池寿命至关重要。让我们仔细看看每个模块，看看可以做些什么来提高电源效率并提供更精确的测量。

传感器选择 

首先要考虑的是传感器。当今的传感器模块中使用了两种主要类型的传感器。这些是单端和差分传感器。单端传感器包括用于血糖、气体传感和可穿戴医疗传感器的电化学传感器。差分传感器通常在工业压力或力应用、工业温度应用以及医疗应用中的空气管线和闭塞传感器等应用中使用仪表放大器。这些在医用胰岛素泵和空气在线检测器中很常见。

更常见的传感器类型是电化学传感器。这些是低功率传感器，包括血糖传感器，数以百万计的糖尿病患者使用它们来控制血糖水平。其他应用包括气体传感器，例如二氧化碳 (CO2) 传感器、水质（电导率、pH 值等）传感器、用于机油降解的酒精传感器和用于检测爆炸物的传感器。 

电化学传感器的大多数应用都是便携式和电池供电的。虽然家用二氧化碳传感器通常可以使用五到七年，但它可能每六个月到一年需要更换一次新电池。为了延长电池寿命，制造商使用最新的低功耗设备，从电池消耗的电流最小。

接下来是仔细研究特定类型的电化学传感器，即乙醇传感器并了解其工作原理。

乙醇传感器操作

图 1 中使用的乙醇传感器是一种电流型气体传感器，它产生的电流与气体的体积分数成正比。它是一种三电极装置，在工作（或传感）电极 (WE) 处测量乙醇。对电极 (CE) 完成电路，而参比电极 (RE) 在电解液中提供稳定的电化学电位，电解液不会暴露在乙醇中。在 SPEC 传感器的情况下，+600mV 偏置电压被施加到 RE。

由于许多电化学传感器需要固定偏置才能正常工作，因此它们对电池寿命造成了额外的负担。现在，考虑系统的功率要求。

电源要求

系统的功率预算及其电池容量最终决定了传感器的工作寿命。需要小尺寸的电池供电解决方案的典型目标是使用单个 1.5V 电池。使用单节电池会降低容量，影响传感器的使用寿命。那么，如何优化单体电池的使用寿命呢？

充满电后，在其使用寿命开始时，单节电池的电压为 1.5V。该电压随着时间的推移逐渐下降，直到达到 0.9V 的使用寿命。为了最大限度地延长单节电池的使用寿命，应用必须在 0.9V 至 1.5V 之间运行，以获得最长的应用运行时间。由于其他系统组件的工作电压为 1.8V，因此选择 DC-DC 升压转换器以最大限度地提高工作和待机电流效率并在 0.9V 至 1.5V 工作范围内工作非常重要。

95% 的高效率并不是高效电源转换的唯一考虑因素。升压稳压器还必须在很宽的电流范围内高效。这可以实现更低的静态电流 (IQ) 并减少操作期间的散热。由于应用大部分时间都处于待机模式，因此升压转换器在轻负载待机状态下的效率对于延长电池寿命至关重要。关断功能还可以通过关闭部分电路来大大降低功耗，从而将电流消耗降低到单纳安范围。

信号链解决方案

传感器通常会产生微伏级的微弱输出信号，而模数转换器需要伏特级的信号。这使得选择低功耗、高精度放大器成为设计中的下一个重要考虑因素。 

低功率放大器的两个重要方面是电流消耗和工作电压，因为许多传感器需要偏置电流来保持精度。这需要应用程序的传感器部分处于开启状态以保持准确的读数。此外，0.9V 至 1.5V 的低工作电压支持单节电池工作，无需升压转换器。 

通常，在选择低功率放大器时会进行权衡，这会导致精度降低。但有些低功率放大器即使在低工作电流和电压下也能保持高准确度。精密放大器的一些特性包括亚微伏 (µV) 输入失调电压、nV/⁰C 量级的电压漂移以及皮安范围内的输入偏置电流。

将低功耗微控制器与集成式 ADC 相结合，可创建低功耗传感器解决方案，最大限度地延长电池寿命，同时保持较小的应用占位面积。

乙醇传感器解决方案测量

除了设备级的改进，系统架构还可以优化，以在相同精度的测量水平下实现更低的功耗。为了证明这一点，我们将提供两个使用类似设备的乙醇传感器解决方案的实验室测量结果，以及一个显示节能的未来传感器解决方案的理论测量结果。

本实验使用下面列出的设备，这些设备对于乙醇电化学传感器测量具有相同的占空比。

SPEC电化学乙醇传感器

MAX40108 1V精密运算放大器/1.8V运算放大器

MAX17220 0.4-5.5V nanoPower 同步升压转换器，具有 True Shutdown™

MAX6018A 1.8V 精密电源、低压差基准电压源

MAX32660 1.8V 超低功耗 Arm® Cortex®-M4 处理器

单节 1.5V AA 电池

传统 1.8V 系统

图 2. 1.8V 传统传感器系统解决方案 

1.8V 系统解决方案使用单节电池供电，该电池使用高效升压转换器为乙醇传感器、运算放大器和带有 ADC 的微处理器提供 1.8V 系统电源。0.1% 的有源占空比由微控制器控制，微控制器唤醒进行测量，然后返回睡眠模式。

处于待机模式的传感器利用升压转换器为处于睡眠模式的传感器、运算放大器和微控制器保持供电。在待机状态下，系统消耗 150.8µA 的电流。在活动状态期间，微控制器唤醒并进行传感器测量。在激活状态下，系统会在短时间内消耗 14mA。由于活动状态仅出现 0.1% 的时间，计算出的活动和待机组合模式的平均电流为 164µA，这是实际传感器应用的典型值。

1V 放大器系统

图 3. 下一代 1V 放大器传感器解决方案

在1V放大器方案中，SPEC乙醇传感器和MAX40108 1V运算放大器都直接与电池相连。这需要放大器可以在低至 0.9V 的电压下工作，保持高精度并最大限度地延长单节电池的电池寿命。

其余电路与升压稳压器类似，可为微控制器供电并支持 1.8V 电路。在此配置中，电流大幅降低至 81.9 µA，降低了 45%，平均电流降低至 95.7µA，降低了 41.79%。因此，使用 MAX40108 1V 运算放大器的系统的电池寿命几乎是传统系统的两倍。

未来的 1V 信号链系统 

图 4. 未来派 1V 传感器系统解决方案 

在这个未来派的 1V 信号链解决方案中，放大器、ADC 和微控制器都可以在低至 0.9V 的电压下工作，同时保持高精度。这使得整个信号链解决方案能够由单节电池供电，从而无需升压转换器，从而最大限度地延长传感器解决方案的电池寿命。 

结论

随着对更智能的 AI 系统需求的增长，对具有附加功能、更高准确度和更长使用寿命的传感器的需求也在增长。传感器必须提供小尺寸的解决方案，既可以由个人佩戴，也可以联网在一起，以确定人员、生产车间、建筑物或城市的健康状况，从而使系统能够主动而不是被动。更进一步，对于从采用这些下一代系统中受益的人来说，主动性可以带来更好的健康、更低的成本、更高的生产力和更高的安全性。

在支持 AI 系统的传感器网络中，创新正在许多不同的层面上发生。尤其是 IC 制造商正在开发低功耗传感器构建模块，以帮助当今的工程师创建未来更智能、更高效的系统。