低功耗設計的未來挑戰(zhàn)

如今，低功耗嵌入式系統(tǒng)的創(chuàng)新與電池創(chuàng)新直接相關，從而創(chuàng)造了許多有趣的系統(tǒng)和應用。Maxim Integrated 移動電源業(yè)務部副總裁兼總經(jīng)理 Ravi Ambatipudi 在electronica 上介紹了他在嵌入式電子論壇上的主題演講。

突破性的低功耗物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴、可聽和邊緣設備的出現(xiàn)和指數(shù)增長帶來了新的系統(tǒng)和 IC 設計挑戰(zhàn)，其中每一納瓦的功耗或每一皮焦的能量都來自電池本身。

鋰離子電池創(chuàng)造了不同類型的系統(tǒng)，從不到一瓦的低功率系統(tǒng)到高電壓的高功率系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是為從消費者到醫(yī)療保健的不同細分市場創(chuàng)建的。鋰創(chuàng)新不斷改進，提供不同的化學組合，例如不同形狀和尺寸的鈷酸鋰和磷酸亞鐵鋰，以適應多種應用。新電池管理解決方案的出現(xiàn)將使人工智能甚至可以在超低功耗設備中實現(xiàn)。

低功耗嵌入式系統(tǒng)

每個需要電池充電的低功耗系統(tǒng)都使用 USB C 充電端口。所有這些都需要電量計設備來確定充電狀態(tài)，同時保護電池。這些類型的系統(tǒng)都需要傳感器來檢測來自外部世界的信息，通常通過處理信息的微控制器。然后，某種用戶界面和通信收發(fā)器都由為所有這些模塊供電的電源部分管理。

設計人員必須保證良好的充電保質期、快速充電和電池運行自主性?！艾F(xiàn)在，這些低功耗設備變得越來越小。電池甚至沒有一分錢的空間，”Ambatipudi 說。

其中一些新一代低功耗系統(tǒng)與皮膚緊密接觸。例如，它們可以戴在耳內，而且不會太熱?！叭绻犕不蚩纱┐髟O備變得非常熱，那將是一種非常不愉快的體驗；必須特別注意熱性能。噪聲和信號的完整性以及通信質量也是需要考慮的重要方面?！盇mbatipudi 說。

設計人員還必須努力避免在首次使用時提供完全放電的產(chǎn)品。換句話說，正如 Ambatipudi 指出的那樣，他們必須致力于所謂的“客戶滿意度”。制造商必須通過在首次使用時提供充滿電的設備來滿足客戶的需求。這要求電池壽命非常長，避免不必要的電流損失。電流是實現(xiàn)長電池壽命的關鍵因素 靜態(tài)電流微安數(shù)量級的值可提供超過 50 個月的壽命。

鋰離子電池的能量密度正在增加，速度不如摩爾拋物線定律，而是呈指數(shù)增長。密度的增加會帶來許多其他后果，尤其是在安全方面。電池隔膜變得更薄，安全性在某些電池中變得至關重要。由于惡劣的操作條件，小的內部檢測實際上會隨著時間的推移而發(fā)展，潛在的制造缺陷會加劇這種情況，從而導致熱泄漏情況。因此，燃油表是必要的（圖 1）。

我們都希望更快地為您的燈具充電。然而，通過簡單地提高充電器的功率水平是不可能實現(xiàn)快速充電的，因為它還會增加更多的功耗，這實際上會加熱設備。效率對于實現(xiàn)快速充電至關重要。

在電源管理中，DC-DC 在效率方面起著重要作用。設計人員必須根據(jù)子系統(tǒng)的外形尺寸找到為所有不同傳感器供電的方法，同時牢記電池壽命短和噪聲敏感性。這些元素中的每一個都控制音頻放大器、所有傳感器和 LED 顯示屏。它們都需要電壓電流。但空間有限。電池壽命很重要，同時低噪音也很重要。因此，您需要開關穩(wěn)壓器，但每個開關穩(wěn)壓器需要一個電感器。通過使用 SIMO 架構，可以使用單個電感器生成多個輸出。通過提供多個輸出，SIMO 方法與控制器的低待機電流一起延長了可穿戴設計的電池壽命。調節(jié)器以最小的損失提供能量，

圖 1：隨時間變化的能量密度

圖 2：SIMO 架構

人工智能的力量

將 AI 推理帶到邊緣意味著從傳感器、攝像頭和麥克風收集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端以執(zhí)行推理，然后將答案發(fā)送回邊緣。這種架構有效，但由于延遲和能源性能較差，對邊緣應用程序非常具有挑戰(zhàn)性。

另一種選擇是低功耗微控制器，可用于實現(xiàn)簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡；然而，挑戰(zhàn)在于延遲，只能在邊緣執(zhí)行簡單的任務。MAX78000 旨在填補這一空白。MAX78000 是一款先進的片上系統(tǒng)，采用帶有 FPU CPU 的 Arm ? ?Cortex ? -M4，可通過超低功耗深度神經(jīng)網(wǎng)絡加速器實現(xiàn)高效系統(tǒng)控制。CNN引擎擁有442KB的權重存儲內存，可支持1-、2-、4-、8位權重（支持權重高達350萬的網(wǎng)絡）。該產(chǎn)品將最節(jié)能的 AI 處理與 Maxim 久經(jīng)考驗的超低功耗微控制器相結合。

如果通過更詳細的分析，人工智能能夠確定是否真的有一個行走的人，或者它是否是一只在外面跑的松鼠，那么人工智能會很有幫助。其他可能的用途包括更好的空間意識或更好的視力，以及用于小型設備（如助聽器或耳機）的更深層次的語音命令。

? ? ? 審核編輯：郭婷