【導讀】隨著係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、健身和健康方麵的監控器正在經曆爆炸性增長。這些以數據為中心的係統對更多功能和更低功耗的需求不斷增 加。該趨勢由智能係統驅動
，這些係統會主動監視一個人或環 境，並做出預測性的響應，包括告警
、動作或推薦的操作。響應的好壞取決於所提供的數據
，這些係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於此。

隨著係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、健身和健康方麵的監控器正在經曆爆炸性增長。這些以數據為中心的係統對更多功能和更低功耗的需求不斷增 加。該趨勢由智能係統驅動，這些係統會主動監視一個人或環 境，並做出預測性的響應，包括告警、動作或推薦的操作。響應的好壞取決於所提供的數據
，這些係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於此。

傳感器應用設計工程師麵臨的挑戰是需要占板麵積最小化的傳感器模塊

，同時保持高精度並延長電池壽命。為了解決這個挑 戰，有兩種應對思維：一是最大化元器件和係統操作的能效比，一是投資研發新型低功耗架構。第一種方法致力於開發依 靠電池工作更長時間並提供更高響應度和精度的係統，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係統使用的設計如上麵的傳感器框圖所示。

上麵的圖1顯示了傳感器應用的典型框圖。解決方案的四個基本 模塊是係統電源
、傳感器
、傳感器信號放大和信號處理。 選 擇合適的器件對於最大化傳感器模塊的電池壽命至關重要。下麵我們仔細研究每個模塊，看看可以做些什麼來提高電源效率 並提供更精確的測量。

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。單端傳感器包括用於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 製其血糖水平。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、用於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，製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，並了解其工作原理。

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。對於SPEC傳感器，將+600mV偏置電壓施加於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。現在我們考慮係統的電源要求。

電源要求

係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。那麼
，可以采取什麼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。由於其他係統器件以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，並能在0.9V至1.5V範圍內運行。

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範圍內高效工作，從而降低靜態電流 (IQ)和工作過程中的熱量耗散。應用大部分時間處於待機模式， 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級範 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
，隻有幾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麵——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。

低功耗微控製器與集成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(chu)了(le)器(qi)件(jian)級(ji)別(bie)的(de)改(gai)進(jin)之(zhi)外(wai)，還(hai)可(ke)以(yi)優(you)化(hua)係(xi)統(tong)架(jia)構(gou)，在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)精(jing)密(mi)測(ce)量(liang)水(shui)平(ping)下(xia)實(shi)現(xian)更(geng)低(di)的(de)功(gong)耗(hao)。為(wei)了(le)證(zheng)明(ming)這(zhe)一(yi)點(dian)
，我(wo)們(men)將(jiang)提(ti)供(gong)使(shi)用(yong)相(xiang)似(si)器(qi)件(jian)的(de)乙(yi)醇(chun)傳(chuan)感(gan)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)兩(liang)次(ci)實(shi)驗(yan)測(ce)量(liang)，以(yi)及(ji)未(wei)來(lai)傳(chuan)感(gan)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)一(yi)次(ci)理(li)論(lun)測(ce)量(liang)，後(hou)者(zhe)顯(xian)示(shi)出(chu)了(le)節(jie)省(sheng)電(dian)能(neng)的(de)優(you)點(dian)。

該實驗使用下麵列出的器件，對於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1.5VAA電池

傳統1.8V係統

圖2.上圖所示為傳統的1.8V傳感器係統解決方案。

1.8V係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係統電源。0.1%活動的占空比由微控製器控製，微控製器喚醒後進行測量，然後又回到睡眠模式。

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、運算放大器和微控製器的電源。在待機狀態下，該係統消耗 150.8µA的電流。在活動狀態期間，微控製器喚醒並進行傳感器測量。在活動狀態下，該係統短時間消耗14mA。活動狀態僅占 0.1%的時間
，經計算可知，活動和待機模式合並的平均電流為 164µA，這是實際傳感器應用的典型值。

1V放大器係統

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、 保持高精度水平並最大化單節電池使用壽命的放大器。

其餘電路與為微控製器供電並支持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 的係統的電池壽命幾乎是傳統係統的兩倍。

未來的1V信號鏈係統

圖4. 上麵的框圖顯示了未來的1V傳感器係統解決方案。

在這個未來的1V信號鏈解決方案中，放大器、ADC和微控製器均以低至0.9V的de電dian壓ya工gong作zuo，同tong時shi保bao持chi高gao精jing度du水shui平ping。這zhe使shi得de整zheng個ge信xin號hao鏈lian解jie決jue方fang案an都dou可ke以yi由you單dan節jie電dian池chi供gong電dian，從cong而er無wu需xu升sheng壓ya轉zhuan換huan器qi
，傳chuan感gan器qi解jie決jue方fang案an的de電dian池chi壽shou命ming得de以yi最zui大da化hua。

結論

人們對更智能AI係統的需求在增長
，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

、建築物或城市的健康狀況，使係統能夠積極主動響應
，而不是被動應對。更進一步，對於那些受益於新 一代係統的人而言，主動響應可改善健康狀況、降低成本
、提 高生產率並增強安全性。

在賦能AI係統的傳感器網絡中
，創新正在許多不同的層麵上發生。尤其是IC製造商
，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

、更高效的係統。

詳見:當今的傳感器模塊電源效率創新推動未來的係統演進

（Tom Bui， Maxim Integrated（現為 ADI公司一部分）電源事業部技術團隊主要成員）

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