如何使用1V運算放大器延長電化學傳感器的電池壽命從而延長運行時間

在本設計解決方案中，提出了一種為乙醇傳感器供電的新型架構。該架構采用MAX40108 1V運算放大器，大幅降低待機電流和工作模式下的平均電流，將電池壽命延長40%以上。

介紹

電化學傳感器隱藏在眾目睽睽之下。最常見的是血糖傳感器，數(shù)百萬糖尿病患者用它來控制血糖水平。其他應用包括氣體傳感器，如一氧化碳和一氧化碳2傳感器、水質(zhì)（電導率、pH 值等）傳感器、用于機油降解的酒精傳感器，甚至用于檢測爆炸物的傳感器。

電化學傳感器的大多數(shù)應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月到一年更換一塊新電池。為了延長電池壽命，制造商使用最新的低功耗設備，這些設備從電池中消耗的電流最小。美信集成的毫微功耗技術?開發(fā)的唯一重點是最小化靜態(tài)電流。在待機或活動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、運算放大器、監(jiān)控器、實時時鐘和微控制器。

由于許多電化學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了額外的負擔。在此設計解決方案中，我們將介紹一種新穎的架構，通過大幅降低待機電流和活動模式下的平均電流，使電池壽命幾乎翻倍。我們將使用 SPEC 電化學乙醇傳感器來說明這種架構。

電化學傳感器操作

本設計解決方案中的乙醇傳感器是電化學氣體傳感器，其產(chǎn)生的電流與氣體的體積分數(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）處測量。對電極（CE）完成電路，而參比電極（RE）在電解質(zhì)中提供穩(wěn)定的電化學電位，不會暴露于乙醇中。對于SPEC傳感器，對RE施加+600mV偏置電壓。

傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)架構

在電池供電的傳感器系統(tǒng)中偏置傳感器并測量乙醇濃度的傳統(tǒng)架構。雖然傳感器可以一直工作到0.9V，但信號調(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僅處于活動狀態(tài)以進行測量，但升壓轉(zhuǎn)換器和信號調(diào)理（運算放大器）電路始終導通，因為它們用于產(chǎn)生RE所需的偏置電位。

根據(jù)實驗室測量，當今系統(tǒng)在 1.8V 時消耗 150.8μA 待機電流，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可能消耗的任何關斷模式電流。每當MCU處于活動狀態(tài)并且無線部分正在傳輸時，電流都可以達到14mA左右。由于MCU只是偶爾處于活動狀態(tài)，因此平均電流將取決于MCU處于活動狀態(tài)的頻率或占空比。在0.1%占空比下測得的平均電流為164.4μA。當然，在較高的占空比下，平均電流會更高。雖然0.1%占空比可能看起來很低，但它確實與實際應用相對應。例如，如果測量值每小時傳輸一次（持續(xù)200ms），則占空比為0.005%，但是，如果測量值每五分鐘傳輸一次，則占空比為0.066%。

全新創(chuàng)新架構

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

由于傳感器和信號鏈始終處于活動狀態(tài)，因此直接從電池為其供電會降低毫微功耗提升的輸出電流，從而降低整個系統(tǒng)的電流要求。MCU仍將由升壓穩(wěn)壓器供電，但它僅在進行測量時才處于活動狀態(tài)。否則，它大多處于待機狀態(tài)。

（幾乎）電池壽命延長一倍

如上所述，傳統(tǒng)的傳感器電路消耗150.8μA的待機電流和164.4μA的平均電流。用MAX40108代替信號調(diào)理電路，待機電流降低至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 總結了實驗室結果。

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

結論

電化學傳感器（如本設計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)永遠不會進入完全待機或睡眠狀態(tài)，并且將始終消耗電流。但是，通過使用1V信號鏈而不是傳統(tǒng)的低壓1.8V信號鏈，電池壽命可以大幅延長，幾乎翻倍。