傳感器應用設計工程師面臨的挑戰(zhàn)

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隨著系統(tǒng)變得越來越以數(shù)據(jù)為中心，工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、家庭醫(yī)療可穿戴式、健身和健康方面的監(jiān)控器正在經(jīng)歷爆炸性增長。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加。該趨勢由智能系統(tǒng)驅(qū)動，這些系統(tǒng)會主動監(jiān)視一個人或環(huán)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(shù)據(jù)，這些系統(tǒng)需要通過單個傳感器或無線傳感器網(wǎng)絡收集大量高精度數(shù)據(jù)的原因正在于此。

傳感器應用設計工程師面臨的挑戰(zhàn)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(zhàn)，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。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。

最大化電源效率

圖1. 當前AI系統(tǒng)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(tǒng)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(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(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的負擔?，F(xiàn)在我們考慮系統(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/°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(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，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(jié)省電能的優(yōu)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(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)

圖2. 上圖所示為傳統(tǒng)的1.8V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，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。

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。活動狀態(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)

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(jié)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(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)

圖4. 上面的框圖顯示了未來的1V傳感器系統(tǒng)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(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。

結論

人們對更智能AI系統(tǒng)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(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。

在賦能AI系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡中，創(chuàng)新正在許多不同的層面上發(fā)生。尤其是IC制造商，它們正在開發(fā)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(chuàng)建更智慧、更高效的系統(tǒng)。