下一代低功耗嵌入式設(shè)計(jì)

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)，這創(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 介紹了他在electronica 嵌入式電子論壇上的主題演講。

突破性低功耗物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴、耳戴式設(shè)備和邊緣設(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)造了不同類型的系統(tǒng)，從低于 1 瓦的低功率系統(tǒng)到高電壓的高功率系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是為不同的細(xì)分市場(chǎng)創(chuàng)建的，從消費(fèi)者到醫(yī)療保健。鋰創(chuàng)新通過(guò)提供不同的化學(xué)組合，如不同形狀和尺寸的鈷酸鋰和磷酸亞鐵鋰，不斷改進(jìn)，以適應(yīng)多種應(yīng)用。新電池管理解決方案的出現(xiàn)將使人工智能即使在超低功耗設(shè)備中也能實(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，通常是通過(guò)處理信息的微控制器。然后，某種用戶界面和通信收發(fā)器都由向所有這些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。“現(xiàn)在，這些低功耗設(shè)備變得越來(lái)越小。一分錢的電池都裝不下，”Ambatipudi 說(shuō)。

其中一些新一代低功率系統(tǒng)與皮膚密切接觸。例如，它們可以戴在耳朵內(nèi)，而且不會(huì)太熱。“如果耳機(jī)或可穿戴設(shè)備變得很熱，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。”Ambatipudi 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)，正如安巴蒂普迪指出的那樣，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)電流微安級(jí)別的值可提供超過(guò) 50 個(gè)月的壽命。

鋰離子電池的能量密度在增加，不像摩爾拋物線定律那么快，而是呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。密度的增加還有許多其他后果，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，實(shí)際上會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生小的內(nèi)部檢測(cè)，潛在的制造缺陷可能會(huì)加劇這種情況，從而導(dǎo)致熱泄漏情況。因此，必須使用燃油表（圖 1）。

我們都希望更快地為您的燈具充電。然而，僅僅通過(guò)增加充電器的功率水平來(lái)實(shí)現(xiàn)快速充電是不可能的，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)師必須找到一種方法，根據(jù)子系統(tǒng)的形狀因素為所有不同的傳感器供電，同時(shí)牢記電池壽命短和噪聲敏感性。這些元件中的每一個(gè)都控制音頻放大器、所有傳感器和LED顯示器。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。所以你需要開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，但每個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器有一個(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方法以及控制器的低待機(jī)電流延長(zhǎng)了可穿戴設(shè)計(jì)的電池壽命。調(diào)節(jié)器以最小的損耗提供能量，該架構(gòu)消除了一些重復(fù)組件，同時(shí)節(jié)省了材料清單（圖2）。

圖 1：隨時(shí)間變化的能量密度（來(lái)源：Maxim Integrated）

圖 2：SIMO 架構(gòu)（來(lái)源：Maxim Integrated）

電力人工智能

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)，將這些數(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，因此對(duì)于邊緣應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)非常具有挑戰(zhàn)性。 ?

低功耗微控制器提供了一種替代方案，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 Arm ? ?Cortex ? -M4 和 FPU CPU，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，可以支持1位、2位、4位、8位權(quán)重（支持多達(dá)350萬(wàn)個(gè)權(quán)重的網(wǎng)絡(luò)）。該產(chǎn)品將最節(jié)能的 AI 處理與 Maxim 經(jīng)驗(yàn)證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奔跑的松鼠，那么它就會(huì)很有幫助。其他可能的用途包括更好的空間意識(shí)或更好的視覺(jué)，以及為助聽(tīng)器或耳機(jī)等小型設(shè)備提供更深層次的語(yǔ)音命令。

審核編輯 黃昊宇