【導讀】當前，消費級、醫療、gongyedengzhinengjianceshebeiyinglaibaozhaxingzengchang。suizhezhexieshebeiyuelaiyuezhineng，zhubuchengdanqihuanjingherendezhudongjiancegongneng，bingshishitigongyucexingxiangying，baokuogaojing、執zhi行xing或huo推tui薦jian操cao作zuo等deng等deng。不bu過guo，智zhi能neng響xiang應ying的de優you劣lie，很hen大da程cheng度du上shang依yi賴lai於yu內nei置zhi傳chuan感gan器qi所suo收shou集ji數shu據ju的de精jing度du和he廣guang度du。由you此ci，傳chuan感gan器qi的de更geng新xin迭die代dai變bian得de尤you為wei關guan鍵jian。

對dui於yu傳chuan感gan器qi應ying用yong設she計ji工gong程cheng師shi來lai說shuo，如ru何he利li用yong有you限xian的de產chan品pin空kong間jian布bu局ju最zui小xiao化hua的de傳chuan感gan器qi模mo塊kuai，同tong時shi保bao持chi高gao精jing度du並bing延yan長chang電dian池chi壽shou命ming
，是shi麵mian臨lin的de巨ju大da挑tiao戰zhan。為wei了le解jie決jue挑tiao戰zhan，一yi般ban有you兩liang種zhong應ying對dui思si維wei：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。在ADI看kan來lai，第di一yi種zhong方fang法fa致zhi力li於yu開kai發fa依yi靠kao電dian池chi工gong作zuo更geng長chang時shi間jian並bing提ti供gong更geng高gao響xiang應ying度du和he精jing度du的de係xi統tong，有you望wang幫bang助zhu設she計ji人ren員yuan在zai短duan期qi內nei實shi現xian其qi目mu標biao，相xiang較jiao下xia會hui更geng為wei簡jian單dan直zhi接jie。

最大化電源效率

一般來說
，智能設備中傳感器是由係統電源、傳感器
、傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)放(fang)大(da)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)四(si)個(ge)基(ji)本(ben)模(mo)塊(kuai)組(zu)成(cheng)。選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)器(qi)件(jian)對(dui)於(yu)最(zui)大(da)化(hua)傳(chuan)感(gan)器(qi)模(mo)塊(kuai)的(de)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。那(na)麼(me)如(ru)何(he)優(you)化(hua)上(shang)述(shu)四(si)大(da)模(mo)塊(kuai)，來(lai)提(ti)高(gao)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)並(bing)提(ti)供(gong)更(geng)精(jing)確(que)的(de)測(ce)量(liang)呢(ne)？

●   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(geng)常(chang)見(jian)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)類(lei)型(xing)是(shi)電(dian)化(hua)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)。這(zhe)些(xie)是(shi)低(di)功(gong)耗(hao)傳(chuan)感(gan)器(qi)，包(bao)括(kuo)血(xue)糖(tang)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，數(shu)以(yi)百(bai)萬(wan)計(ji)的(de)糖(tang)尿(niao)病(bing)患(huan)者(zhe)使(shi)用(yong)這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)控(kong)製(zhi)其(qi)血(xue)糖(tang)水(shui)平(ping)。其(qi)他(ta)應(ying)用(yong)包(bao)括(kuo)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)（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(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)般(ban)可(ke)正(zheng)常(chang)使(shi)用(yong)五(wu)到(dao)七(qi)年(nian)
，但(dan)大(da)約(yue)每(mei)六(liu)個(ge)月(yue)至(zhi)一(yi)年(nian)便(bian)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)更(geng)換(huan)新(xin)電(dian)池(chi)。為(wei)了(le)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)，製(zhi)造(zao)商(shang)使(shi)用(yong)最(zui)新(xin)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)器(qi)件(jian)
，這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)從(cong)電(dian)池(chi)消(xiao)耗(hao)的(de)電(dian)流(liu)量(liang)極(ji)小(xiao)。

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負擔。由此必須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(he)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)熱(re)量(liang)耗(hao)散(san)。應(ying)用(yong)大(da)部(bu)分(fen)時(shi)間(jian)處(chu)於(yu)待(dai)機(ji)模(mo)式(shi)
，因(yin)此(ci)升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)在(zai)輕(qing)載(zai)待(dai)機(ji)狀(zhuang)態(tai)下(xia)必(bi)須(xu)具(ju)有(you)高(gao)效(xiao)率(lv)，以(yi)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)。關(guan)斷(duan)特(te)性(xing)通(tong)過(guo)關(guan)閉(bi)部(bu)分(fen)電(dian)路(lu)將(jiang)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)降(jiang)至(zhi)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(tong)常(chang)，選(xuan)擇(ze)低(di)功(gong)耗(hao)放(fang)大(da)器(qi)的(de)缺(que)點(dian)是(shi)精(jing)度(du)較(jiao)低(di)。但(dan)是(shi)，存(cun)在(zai)一(yi)些(xie)低(di)功(gong)耗(hao)放(fang)大(da)器(qi)，即(ji)使(shi)在(zai)低(di)工(gong)作(zuo)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)壓(ya)下(xia)，它(ta)們(men)也(ye)能(neng)保(bao)持(chi)很(hen)高(gao)的(de)精(jing)度(du)水(shui)平(ping)。精(jing)密(mi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)一(yi)些(xie)特(te)性(xing)包(bao)括(kuo)：亞微伏(µV)輸入失調電壓、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

除了器件級別的改進之外
，還可以優化係統架構，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，ADI對dui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進jin行xing了le兩liang次ci實shi驗yan測ce量liang

，並bing對dui未wei來lai傳chuan感gan器qi解jie決jue方fang案an展zhan開kai了le一yi次ci理li論lun測ce量liang
，後hou者zhe顯xian示shi出chu節jie省sheng電dian能neng的de優you勢shi。

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1.5V AA電池

●   傳統1.8V係統 

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。

圖1.傳統1.8V傳感器係統解決方案

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 

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。

圖2.新一代1V放大器傳感器解決方案

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 

在未來的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。 

圖3.未來的1V傳感器係統解決方案

結論

人們對智能AI係統的需求日益增加
，並激發了對具有額外功能
、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AI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。

如今，在賦能AI係統的傳感器網絡中，創新正在不同領域層麵上悄然萌發。尤其是以ADI為代表的IC製造商們
，通過開發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、更高效的嶄新係統。 

關於ADI公司

ADI是全球領先的高性能模擬技術公司，致力於解決最艱巨的工程設計挑戰。憑借傑出的檢測、測量、電源

、連接和解譯技術

，搭建連接現實世界和數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www.analog.com/cn。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

GaN如何幫助有線電視提供商找到平衡

汽車感性負載安全退磁能量計算和分析

為車載網絡保駕護航

由原電池供電的遠程患者監護儀的電源設計要素

SiC模塊開啟電機驅動器更高功率密度