低功耗设计的下一个挑战

文章作者:Maurizio di Paolo Emilio

如今，低功耗嵌入式系统的创新与电池创新直接相关，创造了许多有趣的系统和应用。Maxim Integrated公司移动电源业务部门副总裁兼总经理Ravi Ambatipudi介绍了他在electronica 2020嵌入式电子论坛上的主题。

低功耗物联网、可穿戴设备、可听设备和边缘设备的出现和指数级增长带来了新的系统和IC设计挑战，每一纳瓦的功耗或每一皮焦耳的能量都来自电池本身。

锂离子电池创造了不同类型的系统，从不到一瓦的低功率系统到高电压的高功率系统。这些系统是为从消费者到医疗保健的不同细分市场创建的。通过提供不同形状和尺寸的氧化锂钴和磷酸亚铁锂等不同的化学组合，锂的创新不断改进，以适应许多应用。新的电池管理解决方案的出现，将使人工智能甚至可以在超低功耗设备中实现。

低功耗嵌入式系统
每一个需要电池充电的低功耗系统都使用USB C充电接口。所有这些都需要燃油表装置来确定充电状态，同时保护电池。这些类型的系统都需要传感器来检测来自外部世界的信息，通常通过微控制器来处理这些信息。然后，某种用户界面和通信收发器都由供电部分管理，供电给所有这些模块。

设计师必须保证良好的充电寿命，快速充电和电池操作的自主性。“现在，这些低功耗设备变得越来越小。甚至连一分钱的空间都没有。”Ambatipudi说道。

这些新一代的低功率系统中的一些与皮肤紧密接触。例如，它们可以戴在耳朵里，而且不会太热。“如果耳机或可穿戴设备变得很热，这将是非常不愉快的经历;必须特别注意热性能。噪音和信号的完整性以及通信质量也是需要考虑的重要方面，”Ambatipudi说。

设计师还必须避免在第一次使用时提供完全放电的产品。换句话说，正如Ambatipudi指出的那样，他们必须致力于所谓的“客户满意度”。制造商必须满足客户的需求，在第一次使用时提供充满电的设备。这就要求电池寿命很长，避免不必要的电流损耗。电流是延长电池寿命的关键因素。按静止电流微安顺序的值提供50个月以上的寿命。

锂离子电池的能量密度正在增加，虽然没有摩尔的抛物线定律那么快，但却是指数增长。密度的增加有许多其他的后果，特别是在安全的基础上。电池隔膜变得更薄，在一些电池中安全性变得至关重要。由于恶劣的操作条件，微小的内部检测实际上可以随着时间的推移而发展，而潜在的制造缺陷会加剧这种情况，导致热泄漏条件。因此，燃料表是必要的(图1)。

我们都想让你的灯具充电更快。然而，仅仅通过增加充电器的功率级别是不可能实现快速充电的，因为它也会增加耗电量，这实际上会使设备发热。效率是实现快速充电的关键。

在电源管理中，DC-DC在效率方面起着重要的作用。设计者必须找到一种方法，根据子系统的形式因素，为所有不同的传感器供电，记住小的电池寿命和噪声灵敏度。每个元件控制音频放大器，所有传感器和LED显示屏。它们都需要一个电压电流。但空间有限。电池寿命很重要，同时低噪音也很重要。所以你需要开关稳压器，但每个开关稳压器有一个电感。通过使用SIMO架构，可以用一个电感产生多个输出。通过提供多种输出，SIMO方法，加上控制器的低待机电流，延长了可穿戴设计的电池寿命。调节器以最小的损耗提供能源，该架构消除了一些重复的组件，同时节省了材料(图2)。

图1所示。随时间的能量密度(来源:Maxim Integrated)

人工智能的电力
将人工智能的推理带到边缘意味着从传感器、摄像头和麦克风收集数据，将数据发送到云端执行推理，然后将答案传回边缘。这种架构可以工作，但由于延迟和能量性能较差，对于边缘应用程序来说非常具有挑战性。

提出了一种采用低功耗微控制器实现简单神经网络的方案;然而，挑战在于延迟，并且只能在边缘执行简单的任务。MAX78000就是为了填补这一空白而设计的。MAX78000是一款先进的系统芯片，配备Arm Cortex-M4 FPU CPU，采用超低功耗深度神经网络加速器进行高效系统控制。CNN引擎的权重存储内存为442KB，可以支持1位、2位、4位和8位的权重(支持高达350万权重的网络)。该产品结合了最节能的人工智能处理与Maxim的超低功耗微控制器。

如果通过更详细的分析，人工智能能够确定真的有一个行走的人，还是一只在外面奔跑的松鼠，那么它可能会有所帮助。其他可能的用途包括更好的空间感知，或更好的视觉，以及对小设备(如助听器或耳机)的更深层次的语音指令。