低功耗設(shè)計(jì)的未來(lái)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(guān)，從而創(chuàng)造了許多有趣的系統(tǒng)和應(yīng)用。Maxim Integrated 移動(dòng)電源業(yè)務(wù)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(tīng)和邊緣設(shè)備的出現(xiàn)和指數(shù)增長(zhǎng)帶來(lái)了新的系統(tǒng)和 IC 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，其中每一納瓦的功耗或每一皮焦的能量都來(lái)自電池本身。

鋰離子電池創(chuàng)造了不同類(lèi)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(fèi)者到醫(yī)療保健的不同細(xì)分市場(chǎng)創(chuàng)建的。鋰創(chuàng)新不斷改進(jìn)，提供不同的化學(xué)組合，例如不同形狀和尺寸的鈷酸鋰和磷酸亞鐵鋰，以適應(yīng)多種應(yīng)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(shè)備中實(shí)現(xiàn)。

低功耗嵌入式系統(tǒng)

每個(gè)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(jì)設(shè)備來(lái)確定充電狀態(tài)，同時(shí)保護(hù)電池。這些類(lèi)型的系統(tǒng)都需要傳感器來(lái)檢測(cè)來(lái)自外部世界的信息，通常通過(guò)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(shè)計(jì)人員必須保證良好的充電保質(zhì)期、快速充電和電池運(yùn)行自主性?！艾F(xiàn)在，這些低功耗設(shè)備變得越來(lái)越小。電池甚至沒(méi)有一分錢(qián)的空間，”Ambatipudi 說(shuō)。

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(nèi)，而且不會(huì)太熱?！叭绻?tīng)筒或可穿戴設(shè)備變得非常熱，那將是一種非常不愉快的體驗(yàn)；必須特別注意熱性能。噪聲和信號(hào)的完整性以及通信質(zhì)量也是需要考慮的重要方面?！盇mbatipudi 說(shuō)。

設(shè)計(jì)人員還必須努力避免在首次使用時(shí)提供完全放電的產(chǎn)品。換句話說(shuō)，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(guò)在首次使用時(shí)提供充滿電的設(shè)備來(lái)滿足客戶的需求。這要求電池壽命非常長(zhǎng)，避免不必要的電流損失。電流是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵因素 靜態(tài)電流微安數(shù)量級(jí)的值可提供超過(guò) 50 個(gè)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(zhǎng)。密度的增加會(huì)帶來(lái)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(guān)重要。由于惡劣的操作條件，小的內(nèi)部檢測(cè)實(shí)際上會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)展，潛在的制造缺陷會(huì)加劇這種情況，從而導(dǎo)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(guò)簡(jiǎn)單地提高充電器的功率水平是不可能實(shí)現(xiàn)快速充電的，因?yàn)樗€會(huì)增加更多的功耗，這實(shí)際上會(huì)加熱設(shè)備。效率對(duì)于實(shí)現(xiàn)快速充電至關(guān)重要。

在電源管理中，DC-DC 在效率方面起著重要作用。設(shè)計(jì)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(shí)牢記電池壽命短和噪聲敏感性。這些元素中的每一個(gè)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(shí)低噪音也很重要。因此，您需要開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，但每個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器需要一個(gè)電感器。通過(guò)使用 SIMO 架構(gòu)，可以使用單個(gè)電感器生成多個(gè)輸出。通過(guò)提供多個(gè)輸出，SIMO 方法與控制器的低待機(jī)電流一起延長(zhǎng)了可穿戴設(shè)計(jì)的電池壽命。調(diào)節(jié)器以最小的損失提供能量，

圖 1：隨時(shí)間變化的能量密度

圖 2：SIMO 架構(gòu)

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(fēng)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(gòu)有效，但由于延遲和能源性能較差，對(duì)邊緣應(yīng)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；然而，挑戰(zhàn)在于延遲，只能在邊緣執(zhí)行簡(jiǎn)單的任務(wù)。MAX78000 旨在填補(bǔ)這一空白。MAX78000 是一款先進(jìn)的片上系統(tǒng)，采用帶有 FPU CPU 的 Arm ? ?Cortex ? -M4，可通過(guò)超低功耗深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器實(shí)現(xiàn)高效系統(tǒng)控制。CNN引擎擁有442KB的權(quán)重存儲(chǔ)內(nèi)存，可支持1-、2-、4-、8位權(quán)重（支持權(quán)重高達(dá)350萬(wàn)的網(wǎng)絡(luò)）。該產(chǎn)品將最節(jié)能的 AI 處理與 Maxim 久經(jīng)考驗(yàn)的超低功耗微控制器相結(jié)合。

如果通過(guò)更詳細(xì)的分析，人工智能能夠確定是否真的有一個(gè)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(huì)很有幫助。其他可能的用途包括更好的空間意識(shí)或更好的視力，以及用于小型設(shè)備（如助聽(tīng)器或耳機(jī)）的更深層次的語(yǔ)音命令。

? ? ? 審核編輯：郭婷