下一代低功耗嵌入式设计

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

突破性低功耗物联网、可穿戴、耳戴式设备和边缘设备的出现和指数增长带来了新的系统和 IC 设计挑战，其中每一纳瓦的功耗或每一皮焦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，从低于 1 瓦的低功率系统到高电压的高功率系统。这些系统是为不同的细分市场创建的，从消费者到医疗保健。锂创新通过提供不同的化学组合，如不同形状和尺寸的钴酸锂和磷酸亚铁锂，不断改进，以适应多种应用。新电池管理解决方案的出现将使人工智能即使在超低功耗设备中也能实现。

低功耗嵌入式系统

每个需要电池充电的低功耗系统都使用 USB C 充电端口。所有这些都需要电量计设备来确定充电状态，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，通常是通过处理信息的微控制器。然后，某种用户界面和通信收发器都由向所有这些块供电的电源部分管理。

设计人员必须保证良好的充电保质期、快速充电和电池运行自主性。“现在，这些低功耗设备变得越来越小。一分钱的电池都装不下，”Ambatipudi 说。

其中一些新一代低功率系统与皮肤密切接触。例如，它们可以戴在耳朵内，而且不会太热。“如果耳机或可穿戴设备变得很热，那将是一种非常不愉快的体验；必须特别注意热性能。噪声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。

设计人员还必须努力避免在首次使用时提供完全放电的产品。换句话说，正如安巴蒂普迪指出的那样，他们必须致力于所谓的“客户满意度”。制造商必须通过在首次使用时提供充满电的设备来满足客户的需求。这要求电池寿命非常长，避免不必要的电流损失。电流是实现长电池寿命的关键因素静态电流微安级别的值可提供超过 50 个月的寿命。

锂离子电池的能量密度在增加，不像摩尔抛物线定律那么快，而是呈指数级增长。密度的增加还有许多其他后果，尤其是在安全方面。电池隔膜变得更薄，安全性在某些电池中变得至关重要。由于恶劣的操作条件，实际上会随着时间的推移而产生小的内部检测，潜在的制造缺陷可能会加剧这种情况，从而导致热泄漏情况。因此，必须使用燃油表（图 1）。

我们都希望更快地为您的灯具充电。然而，仅仅通过增加充电器的功率水平来实现快速充电是不可能的，因为它还会增加更多的功耗，这实际上会加热设备。效率对于实现快速充电至关重要。

在电源管理中，DC-DC在效率方面起着重要作用。设计师必须找到一种方法，根据子系统的形状因素为所有不同的传感器供电，同时牢记电池寿命短和噪声敏感性。这些元件中的每一个都控制音频放大器、所有传感器和LED显示器。它们都需要电压电流。但空间有限。电池寿命很重要，同时低噪音也很重要。所以你需要开关调节器，但每个开关调节器有一个电感器。通过使用SIMO架构，可以使用单个电感器生成多个输出。通过提供多个输出，SIMO方法以及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量，该架构消除了一些重复组件，同时节省了材料清单（图2）。

图 1：随时间变化的能量密度（来源：Maxim Integrated）

图 2：SIMO 架构（来源：Maxim Integrated）

电力人工智能

将 AI 推理带到边缘意味着从传感器、摄像头和麦克风收集数据，将这些数据发送到云端以执行推理，然后将答案发送回边缘。这种架构有效，但由于延迟和能源性能较差，因此对于边缘应用程序来说非常具有挑战性。  

低功耗微控制器提供了一种替代方案，可用于实现简单的神经网络；然而，挑战在于延迟，只能在边缘执行简单的任务。MAX78000 旨在填补这一空白。MAX78000 是一款先进的片上系统，采用 Arm ®  Cortex ® -M4 和 FPU CPU，通过超低功耗深度神经网络加速器实现高效系统控制。CNN引擎拥有442KB的权重存储内存，可以支持1位、2位、4位、8位权重（支持多达350万个权重的网络）。该产品将最节能的 AI 处理与 Maxim 经验证的超低功耗微控制器相结合。 

如果通过更详细的分析，人工智能能够确定是否真的有一个行走的人，或者它是否是一只在外面奔跑的松鼠，那么它就会很有帮助。其他可能的用途包括更好的空间意识或更好的视觉，以及为助听器或耳机等小型设备提供更深层次的语音命令。

审核编辑 黄昊宇