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傳感器模塊電源效率創(chuàng)新 推動未來AI系統(tǒng)演進

發(fā)布時間:2022-08-04 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導讀】當前,消費級、醫(yī)療、工業(yè)等智能監(jiān)測設備迎來爆炸性增長。隨著這些設備越來越智能,逐步承擔起環(huán)境和人的主動監(jiān)測功能,并實時提供預測性響應,包括告警、執(zhí)行或推薦操作等等。不過,智能響應的優(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鍵。


對于傳感器應用設計工程師來說,如何利用有限的產(chǎn)品空間布局最小化的傳感器模塊,同時保持高精度并延長電池壽命,是面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了解決挑戰(zhàn),一般有兩種應對思維: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。在ADI看來,第一種方法致力于開發(fā)依靠電池工作更長時間并提供更高響應度和精度的系統(tǒng),有望幫助設計人員在短期內(nèi)實現(xiàn)其目標,相較下會更為簡單直接。


最大化電源效率


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


●   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(yī)療傳感器。差分傳感器通常使用儀器放大器,應用包括工業(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(shù)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(zhì)(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(shù)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,以一種具體類型的電化學傳感器——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數(shù)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(zhì)中提供穩(wěn)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負擔。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(jié)1.5V電池。使用單節(jié)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(yōu)化單節(jié)電池的工作壽命? 


當充滿電時,即在其壽命開始時,單節(jié)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(jié)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(tǒng)器件以1.8V運行,因此必須選擇一個DC-DC升壓轉(zhuǎn)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(nèi)運行。


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(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(zhuǎn)換器在輕載待機狀態(tài)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(chǎn)生的輸出信號通常很微弱,只有幾uV,而模數(shù)轉(zhuǎn)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(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(yōu)化系統(tǒng)架構,在相同的精密測量水平下實現(xiàn)更低的功耗。為了證明這一點,ADI對使用相似器件的乙醇傳感器解決方案進行了兩次實驗測量,并對未來傳感器解決方案展開了一次理論測量,后者顯示出節(jié)省電能的優(yōu)勢。


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(zhuǎn)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(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。


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圖1.傳統(tǒng)1.8V傳感器系統(tǒng)解決方案


待機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、運算放大器和微控制器的電源。在待機狀態(tài)下,該系統(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。在活動狀態(tài)下,該系統(tǒng)短時間消耗14mA?;顒訝顟B(tài)僅占0.1%的時間,經(jīng)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(tǒng) 


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(jié)電池使用壽命的放大器。


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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%。結果,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) 


在未來的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(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。 


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圖3.未來的1V傳感器系統(tǒng)解決方案


結論


人們對智能AI系統(tǒng)的需求日益增加,并激發(fā)了對具有額外功能、更高精度和更長壽命的傳感器需求。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)能夠積極主動響應,而不是被動應對。更進一步,對于那些受益于新一代AI系統(tǒng)的人而言,主動響應可改善健康狀況、降低成本、提高生產(chǎn)率并增強安全性。


如今,在賦能AI系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡中,創(chuàng)新正在不同領域?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建模塊,將切實推動工程師構建起更智慧、更高效的嶄新系統(tǒng)。 


關于ADI公司


ADI是全球領先的高性能模擬技術公司,致力于解決最艱巨的工程設計挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術,搭建連接現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的智能化橋梁,從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。



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