【導讀】隨著系統變得越來越以數據為中心，工業、物聯網、家庭醫療可穿戴式、健身和健康方面的監控器正在經歷爆炸性增長。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加。該趨勢由智能系統驅動，這些系統會主動監視一個人或環境，并做出預測性的響應，包括告警、動作或推薦的操作。響應的好壞取決于所提供的數據，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正在于此。
傳感器應用設計工程師面臨的挑戰是需要占板面積最小化的傳感器模塊，同時保持高精度并延長電池壽命。為了解決這個挑戰，有兩種應對思維：一是最大化元器件和系統操作的能效 比，一是投資研發新型低功耗架構。第一種方法致力于開發依靠電池工作更長時間并提供更高響應度和精度的系統，有望幫助設計人員在短期內實現其目標。
最大化電源效率
圖1. 當前AI系統使用的設計如上面的傳感器框圖所示。
上面的圖1顯示了傳感器應用的典型框圖。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。選擇合適的器件對于最大化傳感器模塊的電池壽命至關重要。下面我們仔細研究每個模塊，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
第一個考慮是傳感器。當今傳感器模塊中使用的傳感器主要有兩種類型：單端傳感器和差分傳感器。單端傳感器包括用于血糖檢測的電化學傳感器、氣體傳感器和可穿戴醫療傳感器。差分傳感器通常使用儀器放大器，應用包括工業壓力或力傳感器、工業溫度傳感器、醫療應用中的線內空氣(air-inline)和阻塞傳感器等。這些在醫用胰島素泵和線內空氣探測器中很常見。
更常見的傳感器類型是電化學傳感器。這些是低功耗傳感器，包括血糖傳感器，數以百萬計的糖尿病患者使用這種傳感器控制其血糖水平。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以及檢測爆炸物的傳感器。
電化學傳感器的大多數應用是便攜式和電池供電應用。雖然家庭CO2傳感器一般可正常使用五到七年，但大約每六個月至一年便可能需要更換新電池。為了延長電池壽命，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。
接下來我們仔細研究一種具體類型的電化學傳感器——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安培法氣體傳感器，其產生的電流與氣體的體積分數成正比。它是一種三電極器件，乙醇在工作（或檢測）電極(WE)上測量。對電極(CE)使電路完整，而參考電極(RE)在電解質中提供穩定的電化學電位，它不接觸乙醇。對于SPEC傳感器，將+600mV偏置電壓施加于RE。
很多電化學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的負擔。現在我們考慮系統的電源要求。
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。小尺寸電池供電解決方案的典型目標是使用單節1.5V電池。使用單節電池會降低容量，從而影響傳感器的工作壽命。那么，可以采取什么措施來優化單節電池的工作壽命？
當充滿電時，即在其壽命開始時，單節電池為1.5V。此電壓隨著時間推移而逐漸下降，在壽命結束時為0.9V。為了最大程度地延長單節電池的壽命，應用必須在0.9V至1.5V之間運行，才能獲得最長的應用工作時間。由于其他系統器件以1.8V運行，因此必須選擇一個DC-DC升壓轉換器，它應能最大程度地提高工作和待機電流效率，并能在0.9V至1.5V范圍內運行。
擁有95%的高效率不是高效電源轉換的唯一考慮因素。升壓調節器還必須能夠在寬電流范圍內高效工作，從而降低靜態電流 (IQ)和工作過程中的熱量耗散。應用大部分時間處于待機模式， 因此升壓轉換器在輕載待機狀態下必須具有高效率，以延長電池壽命。關斷特性通過關閉部分電路將電流消耗降至nA級范圍，這也能大幅降低功耗。
信號鏈解決方案
傳感器產生的輸出信號通常很微弱，只有幾uV，而模數轉換器需要V級的信號。因此，選擇低功耗、高精度放大器是設計中第二重要的考慮因素。
低功耗放大器有兩個重要方面——電流消耗和工作電壓，因為許多傳感器需要偏置電流以維持精度。這要求應用的傳感器部分開啟以保持準確的讀數。此外，0.9V至1.5V的低工作電壓支持單節電池供電，無需升壓轉換器。
通常，選擇低功耗放大器的缺點是精度較低。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)輸入失調電壓、nV/°C級的電壓漂移以及pA級的輸入偏置電流。
低功耗微控制器與集成ADC相結合，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使應用保持小尺寸。
乙醇傳感器解決方案的測量
除了器件級別的改進之外，還可以優化系統架構，在相同的精密測量水平下實現更低的功耗。為了證明這一點，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驗測量，以及未來傳感器解決方案的一次理論測量，后者顯示出了節省電能的優點。
該實驗使用下面列出的器件，對于乙醇電化學傳感器測量，這些器件具有相同的占空比。
● 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，提供True Shutdown?
● MAX6018A 1.8V精密、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. 上圖所示為傳統的1.8V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，利用高效的升壓轉換器為乙醇傳感器、運算放大器和帶ADC的微處理器提供1.8V系統電源。0.1%活動的占空比由微控制器控制，微控制器喚醒后進行測量，然后又回到睡眠模式。
待機模式下的傳感器利用升壓轉換器維持睡眠模式下傳感器、運算放大器和微控制器的電源。在待機狀態下，該系統消耗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。在活動狀態下，該系統短時間消耗14mA。活動狀態僅占0.1%的時間，經計算可知，活動和待機模式合并的平均電流為 164μA，這是實際傳感器應用的典型值。
1V放大器系統
圖3. 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運算放大器均直接連接到電池。這需要一個能以低至0.9V的電壓工作、保持高精度水平并最大化單節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電路的升壓調節器類似。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%。結果，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. 上面的框圖顯示了未來的1V傳感器系統解決方案。
在這個未來的1V信號鏈解決方案中，放大器、ADC和微控制器均以低至0.9V的電壓工作，同時保持高精度水平。這使得整個信號鏈解決方案都可以由單節電池供電，從而無需升壓轉換器，傳感器解決方案的電池壽命得以最大化。
結論
人們對更智能AI系統的需求在增長，因此對具有額外功能、更高精度和更長壽命的傳感器的需求也隨之增長。傳感器必須提供小尺寸解決方案，既可以由人佩戴，也可以聯網，從而確定一個人、生產車間、建筑物或城市的健康狀況，使系統能夠積極主動響應，而不是被動應對。更進一步，對于那些受益于新一代系統的人而言，主動響應可改善健康狀況、降低成本、提高生產率并增強安全性。
在賦能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，它們正在開發更低功耗的傳感器構建模塊，以幫助今天的工程師為明天創建更智慧、更高效的系統。
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