随着系统变得更加以数据为中心，工业、物联网(IoT)、家庭医疗可穿戴设备、健身和健康监视器正在经历爆炸式增长。这些以数据为中心的系统对更多功能和更低功耗的需求不断增长。这种趋势是由智能系统驱动的，智能系统可以主动监控一个人或一个环境，以预测响应警报、行动或建议的操作。响应的好坏取决于所提供的数据，这就是为什么这些系统需要通过单个传感器或无线传感器网络收集大量高度精确的数据。

设计传感器应用的工程师面临的挑战是需要一个占地面积最小的传感器模块，同时保持高水平的精度和延长电池寿命。要做到这一点，有两个思想流派:最大化组件和系统操作的功率效率或投资于新的低功耗架构。第一种方法有望帮助设计人员在短期内实现他们的目标，开发出电池充电后运行时间更长、反应更灵敏、更准确的系统。

最大限度提高电源效率

图1显示了传感器应用程序的典型框图。解决方案的四个基本模块是系统电源、传感器、传感器信号放大和信号处理。选择合适的器件对于最大限度地延长传感器模块的电池寿命至关重要。让我们仔细看看每个模块，看看可以做些什么来提高电源效率并提供更精确的测量。

传感器的选择

首先要考虑的是传感器。当今的传感器模块中使用的传感器主要有两种类型:单端传感器和差动传感器。单端传感器包括用于血糖、气体传感和可穿戴医疗传感器的电化学传感器。差分传感器通常在工业压力或力应用、工业温度应用以及医疗应用中的空气在线和闭塞传感器等应用中使用仪器放大器。这些在医用胰岛素泵和空气在线检测器中很常见。

更常见的传感器类型是电化学传感器。这些低功耗传感器包括血糖传感器，数百万糖尿病患者用它来控制血糖水平。其他应用包括气体传感器，如二氧化碳(CO2)传感器，水质(电导率，pH值等)传感器，用于机油降解的酒精传感器以及检测爆炸的传感器。

电化学传感器的大多数应用都是便携式和电池供电的。虽然家用二氧化碳传感器通常可以使用五到七年，但它可能每六个月到一年就需要更换一次新电池。为了延长电池寿命，制造商使用最新的低功耗设备，这种设备从电池中吸取的电流最小。

接下来，让我们仔细看看一种特殊类型的电化学传感器——乙醇传感器，并了解它是如何工作的。

乙醇传感器操作

图1中使用的乙醇传感器是一种安培气体传感器，其产生的电流与气体的体积分数成正比。它是一个三电极装置，在工作(或传感)电极(WE)上测量乙醇。对电极(CE)完成电路，而参比电极(RE)在不暴露于乙醇的电解质中提供稳定的电化学电位。在SPEC传感器的情况下，将600 mV的偏置电压施加到RE上。

由于许多电化学传感器需要固定的偏置才能正常工作，因此它们对电池寿命造成了额外的负担。现在让我们考虑一下系统的功率需求。

功率要求

系统的功率预算和电池容量最终决定了传感器的使用寿命。电池供电解决方案的典型目标是使用单个1.5 V的电池。使用单芯电池会降低容量，影响传感器的使用寿命。那么，怎样才能优化单个电池的使用寿命呢?

当充满电时，在其寿命开始时，单个电池的电压为1.5 V。这个电压随着时间的推移逐渐下降，直到它在0.9 V时达到其寿命的终点。为了最大限度地延长单节电池的使用寿命，应用程序必须在0.9 V到1.5 V之间运行，以获得最长的应用程序运行时间。因为其他系统组件工作在1.8 V，所以选择一个dc - dc升压转换器是很重要的，它可以最大限度地提高工作和备用电流效率，并在0.9 V到1.5 V的工作范围内工作。

拥有95%的高效率并不是高效电源转换的唯一考虑因素。升压稳压器还必须在宽电流范围内有效。这使得更低的静态电流(IQ)和减少工作期间的散热。由于应用程序大部分时间处于待机模式，因此在轻负载待机状态下，升压转换器的效率对于延长电池寿命至关重要。关闭功能还可以通过关闭部分电路来大大降低功耗，从而将电流消耗降低到单纳安范围。

信号链解决方案

传感器通常产生微伏量级的微弱输出信号，而数字转换器则需要伏特量级的信号。这使得选择低功耗、高精度放大器成为设计中的下一个重要考虑因素。

低功率放大器的两个重要方面是电流消耗和工作电压，因为许多传感器需要偏置电流来保持精度。这需要应用程序的传感器部分保持准确的位置。此外，从0.9 V到1.5 V的低工作电压使单电池工作，消除了对升压转换器的需要。

通常，在选择低功率放大器时存在权衡，这会导致精度降低。但也有低功率放大器，即使在低工作电流和电压下也能保持高水平的精度。精密放大器的一些特性包括亚微伏(µV)输入偏置电压，nV/°C量级的电压漂移，以及皮安范围内的输入偏置电流。

将低功耗微控制器与集成ADC相结合，可创建低功耗传感器解决方案，最大限度地延长电池寿命，同时保持小的应用空间。

乙醇传感器溶液测量

除了设备级的改进之外，还可以优化系统架构，以在相同的精度测量水平下实现更低的功耗。为了证明这一点，我们将提供使用类似设备的乙醇传感器解决方案的两个实验室测量和一个未来传感器解决方案的理论测量，以显示节省的功率。

本实验使用下列装置，它们具有相同的占空比，用于乙醇电化学传感器测量。

• 电化学乙醇传感器

• MAX40108 1v精密运算放大器/1.8 V运算放大器

• MAX17220 0.4 V至5.5 V纳米同步升压变换器，真关断

• MAX32660 1.8 V超低功耗Arm Cortex -M4处理器

• 单节1.5 V AA电池

传统1.8 V系统

1.8 V系统解决方案使用单电池供电，该电池使用高效升压转换器为乙醇传感器、运放和带有ADC的微处理器提供1.8 V系统电源。0.1%的有效负载周期由微控制器控制，微控制器醒来进行测量，然后返回睡眠模式。

待机模式下的传感器利用升压转换器在休眠模式下保持传感器、运放和微控制器的电源。待机状态下，系统功耗为150.8µA。在活动状态下，微控制器被唤醒并进行传感器测量。在活动状态下，系统短时间消耗14ma。由于活动状态仅发生0.1%的时间，因此计算出的活动和待机模式组合的平均电流为164µA，这是典型的实际传感器应用。

1v放大器系统

在1v放大器解决方案中，SPEC乙醇传感器和MAX40108 1v运算放大器都直接连接到电池上。这需要一个放大器，可以工作到低至0.9 V，保持高水平的精度，并最大限度地延长单节电池的电池寿命。

其余电路类似于升压调节器，为微控制器供电并支持1.8 V的电路。在这种配置下，电流大幅降低至81.9µA，降低了45%，平均电流降低至95.7µA，降低了41.79%。因此，使用MAX40108 1 V运算放大器的系统的电池寿命几乎是传统系统的两倍。

未来1v信号链系统

在这个未来的1 V信号链解决方案中，放大器，ADC和微控制器的工作电压均降至0.9 V，同时保持高水平的精度。这使得整个信号链解决方案可以由单个电池供电，从而消除了对升压转换器的需求，从而最大限度地延长了传感器解决方案的电池寿命。

结论

随着对更智能的人工智能系统需求的增长，对具有额外功能、更高精度和更长的使用寿命的传感器的需求也在增长。传感器必须提供一个小的解决方案尺寸，既可以由人佩戴，也可以联网，以确定人、生产车间、建筑物或城市的健康状况，使系统能够主动而不是被动。更进一步，对于那些从采用这些下一代系统中受益的人来说，主动性可以带来更好的健康、更低的成本、更高的生产率和更高的安全性。

在支持人工智能系统的传感器网络中，创新发生在许多不同的层面。特别是IC制造商正在开发低功耗传感器构建模块，以帮助今天的工程师创造更智能，更高效的未来系统。