在本設(shè)計(jì)解決方案中，提出了一種為乙醇傳感器供電的新型架構(gòu)。該架構(gòu)采用MAX40108 1V運(yùn)算放大器，大幅降低待機(jī)電流和工作模式下的平均電流，將電池壽命延長(zhǎng)40%以上。

介紹

電化學(xué)傳感器隱藏在眾目睽睽之下。最常見(jiàn)的是血糖傳感器，數(shù)百萬(wàn)糖尿病患者用它來(lái)控制血糖水平。其他應(yīng)用包括氣體傳感器，如一氧化碳和一氧化碳2傳感器、水質(zhì)（電導(dǎo)率、pH 值等）傳感器、用于機(jī)油降解的酒精傳感器，甚至用于檢測(cè)爆炸物的傳感器。

電化學(xué)傳感器的大多數(shù)應(yīng)用都是便攜式和電池供電的。雖然家用一氧化碳傳感器通常只能使用5到7年，但可能需要大約每六個(gè)月到一年更換一塊新電池。為了延長(zhǎng)電池壽命，制造商使用最新的低功耗設(shè)備，這些設(shè)備從電池中消耗的電流最小。美信集成的毫微功耗技術(shù)?開發(fā)的唯一重點(diǎn)是最小化靜態(tài)電流。在待機(jī)或活動(dòng)模式下電流消耗小于一微安的任何器件都被視為毫微功耗器件。毫微功耗產(chǎn)品的示例包括穩(wěn)壓器、運(yùn)算放大器、監(jiān)控器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和微控制器。

由于許多電化學(xué)傳感器需要固定偏置才能正常工作，因此它們給電池壽命帶來(lái)了額外的負(fù)擔(dān)。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們將介紹一種新穎的架構(gòu)，通過(guò)大幅降低待機(jī)電流和活動(dòng)模式下的平均電流，使電池壽命幾乎翻倍。我們將使用 SPEC 電化學(xué)乙醇傳感器來(lái)說(shuō)明這種架構(gòu)。

電化學(xué)傳感器操作

本設(shè)計(jì)解決方案中的乙醇傳感器是電化學(xué)氣體傳感器，其產(chǎn)生的電流與氣體的體積分?jǐn)?shù)成比例。它是一種三電極裝置，其中乙醇在工作（或傳感）電極（WE）處測(cè)量。對(duì)電極（CE）完成電路，而參比電極（RE）在電解質(zhì)中提供穩(wěn)定的電化學(xué)電位，不會(huì)暴露于乙醇中。對(duì)于SPEC傳感器，對(duì)RE施加+600mV偏置電壓。

傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)架構(gòu)

在電池供電的傳感器系統(tǒng)中偏置傳感器并測(cè)量乙醇濃度的傳統(tǒng)架構(gòu)。雖然傳感器可以一直工作到0.9V，但信號(hào)調(diào)理和MCU需要1.8V。該電壓由升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，如毫微功耗MAX1722x系列。在這樣的系統(tǒng)中，MCU及其集成的ADC僅處于活動(dòng)狀態(tài)以進(jìn)行測(cè)量，但升壓轉(zhuǎn)換器和信號(hào)調(diào)理（運(yùn)算放大器）電路始終導(dǎo)通，因?yàn)樗鼈冇糜诋a(chǎn)生RE所需的偏置電位。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，當(dāng)今系統(tǒng)在 1.8V 時(shí)消耗 150.8μA 待機(jī)電流，平均電流為 164.4μA，在工作模式下占空比為 0.1%。這里的待機(jī)電流是指電路為保持傳感器偏置而消耗的電流以及MCU可能消耗的任何關(guān)斷模式電流。每當(dāng)MCU處于活動(dòng)狀態(tài)并且無(wú)線部分正在傳輸時(shí)，電流都可以達(dá)到14mA左右。由于MCU只是偶爾處于活動(dòng)狀態(tài)，因此平均電流將取決于MCU處于活動(dòng)狀態(tài)的頻率或占空比。在0.1%占空比下測(cè)得的平均電流為164.4μA。當(dāng)然，在較高的占空比下，平均電流會(huì)更高。雖然0.1%占空比可能看起來(lái)很低，但它確實(shí)與實(shí)際應(yīng)用相對(duì)應(yīng)。例如，如果測(cè)量值每小時(shí)傳輸一次（持續(xù)200ms），則占空比為0.005%，但是，如果測(cè)量值每五分鐘傳輸一次，則占空比為0.066%。

全新創(chuàng)新架構(gòu)

使用Maxim Integrated的MAX40108 1V運(yùn)算放大器，可以直接由電池為信號(hào)調(diào)理供電。

由于傳感器和信號(hào)鏈?zhǔn)冀K處于活動(dòng)狀態(tài)，因此直接從電池為其供電會(huì)降低毫微功耗提升的輸出電流，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的電流要求。MCU仍將由升壓穩(wěn)壓器供電，但它僅在進(jìn)行測(cè)量時(shí)才處于活動(dòng)狀態(tài)。否則，它大多處于待機(jī)狀態(tài)。

（幾乎）電池壽命延長(zhǎng)一倍

如上所述，傳統(tǒng)的傳感器電路消耗150.8μA的待機(jī)電流和164.4μA的平均電流。用MAX40108代替信號(hào)調(diào)理電路，待機(jī)電流降低至81.9μA，降低45%，平均電流降低至95.7μA，降低41.79%。因此，使用MAX40108 1V運(yùn)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。表 1 總結(jié)了實(shí)驗(yàn)室結(jié)果。

雖然如上所述，0.1%是一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的占空比，但值得一提的是，即使在更高的占空比下，電池節(jié)省仍然相當(dāng)可觀。例如，即使整個(gè)電路處于工作狀態(tài)，每20秒傳輸200ms （1%占空比），1V信號(hào)鏈也將比1.8V傳統(tǒng)運(yùn)算放大器節(jié)省近25%的成本。

結(jié)論

電化學(xué)傳感器（如本設(shè)計(jì)解決方案中的乙醇傳感器）需要恒定的偏置電壓才能工作。此要求意味著系統(tǒng)永遠(yuǎn)不會(huì)進(jìn)入完全待機(jī)或睡眠狀態(tài)，并且將始終消耗電流。但是，通過(guò)使用1V信號(hào)鏈而不是傳統(tǒng)的低壓1.8V信號(hào)鏈，電池壽命可以大幅延長(zhǎng)，幾乎翻倍。