如何使用1V运算放大器延长电化学传感器的电池寿命从而延长运行时间

在本设计解决方案中，提出了一种为乙醇传感器供电的新型架构。该架构采用MAX40108 1V运算放大器，大幅降低待机电流和工作模式下的平均电流，将电池寿命延长40%以上。

介绍

电化学传感器隐藏在众目睽睽之下。最常见的是血糖传感器，数百万糖尿病患者用它来控制血糖水平。其他应用包括气体传感器，如一氧化碳和一氧化碳2传感器、水质（电导率、pH 值等）传感器、用于机油降解的酒精传感器，甚至用于检测爆炸物的传感器。

电化学传感器的大多数应用都是便携式和电池供电的。虽然家用一氧化碳传感器通常只能使用5到7年，但可能需要大约每六个月到一年更换一块新电池。为了延长电池寿命，制造商使用最新的低功耗设备，这些设备从电池中消耗的电流最小。美信集成的毫微功耗技术™开发的唯一重点是最小化静态电流。在待机或活动模式下电流消耗小于一微安的任何器件都被视为毫微功耗器件。毫微功耗产品的示例包括稳压器、运算放大器、监控器、实时时钟和微控制器。

由于许多电化学传感器需要固定偏置才能正常工作，因此它们给电池寿命带来了额外的负担。在此设计解决方案中，我们将介绍一种新颖的架构，通过大幅降低待机电流和活动模式下的平均电流，使电池寿命几乎翻倍。我们将使用 SPEC 电化学乙醇传感器来说明这种架构。

电化学传感器操作

本设计解决方案中的乙醇传感器是电化学气体传感器，其产生的电流与气体的体积分数成比例。它是一种三电极装置，其中乙醇在工作（或传感）电极（WE）处测量。对电极（CE）完成电路，而参比电极（RE）在电解质中提供稳定的电化学电位，不会暴露于乙醇中。对于SPEC传感器，对RE施加+600mV偏置电压。

传统传感器系统架构

在电池供电的传感器系统中偏置传感器并测量乙醇浓度的传统架构。虽然传感器可以一直工作到0.9V，但信号调理和MCU需要1.8V。该电压由升压转换器产生，如毫微功耗MAX1722x系列。在这样的系统中，MCU及其集成的ADC仅处于活动状态以进行测量，但升压转换器和信号调理（运算放大器）电路始终导通，因为它们用于产生RE所需的偏置电位。

根据实验室测量，当今系统在 1.8V 时消耗 150.8μA 待机电流，平均电流为 164.4μA，在工作模式下占空比为 0.1%。这里的待机电流是指电路为保持传感器偏置而消耗的电流以及MCU可能消耗的任何关断模式电流。每当MCU处于活动状态并且无线部分正在传输时，电流都可以达到14mA左右。由于MCU只是偶尔处于活动状态，因此平均电流将取决于MCU处于活动状态的频率或占空比。在0.1%占空比下测得的平均电流为164.4μA。当然，在较高的占空比下，平均电流会更高。虽然0.1%占空比可能看起来很低，但它确实与实际应用相对应。例如，如果测量值每小时传输一次（持续200ms），则占空比为0.005%，但是，如果测量值每五分钟传输一次，则占空比为0.066%。

全新创新架构

使用Maxim Integrated的MAX40108 1V运算放大器，可以直接由电池为信号调理供电。

由于传感器和信号链始终处于活动状态，因此直接从电池为其供电会降低毫微功耗提升的输出电流，从而降低整个系统的电流要求。MCU仍将由升压稳压器供电，但它仅在进行测量时才处于活动状态。否则，它大多处于待机状态。

（几乎）电池寿命延长一倍

如上所述，传统的传感器电路消耗150.8μA的待机电流和164.4μA的平均电流。用MAX40108代替信号调理电路，待机电流降低至81.9μA，降低45%，平均电流降低至95.7μA，降低41.79%。因此，使用MAX40108 1V运算放大器的系统的电池寿命几乎是传统系统的两倍。表 1 总结了实验室结果。

 

	待机电流 （μA）	平均电流（微安）
传统 1.8V 运算放大器	150.8	164.4
MAX40108 1V运算放大器	81.9	95.7

 

虽然如上所述，0.1%是一个非常现实的占空比，但值得一提的是，即使在更高的占空比下，电池节省仍然相当可观。例如，即使整个电路处于工作状态，每20秒传输200ms （1%占空比），1V信号链也将比1.8V传统运算放大器节省近25%的成本。

结论

电化学传感器（如本设计解决方案中的乙醇传感器）需要恒定的偏置电压才能工作。此要求意味着系统永远不会进入完全待机或睡眠状态，并且将始终消耗电流。但是，通过使用1V信号链而不是传统的低压1.8V信号链，电池寿命可以大幅延长，几乎翻倍。