隨著系統(tǒng)變得越來越以數據為中心，工業(yè)、物聯(lián)網、家庭醫(yī)療可穿戴式、健身和健康方面的監(jiān)控器正在經歷爆炸性增長。這些以數據為中心的系統(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據，這些系統(tǒng)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(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實現其目標。

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)療應用中的線內空氣(air-inline)和阻塞傳感器等。這些在醫(yī)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(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(jié)器還必須能夠在寬電流范圍內高效工作，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(jié)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(yōu)化系統(tǒng)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(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)1.5VAA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，從而無需升壓轉換器，傳感器解決方案的電池壽命得以最大化。