如今，低功耗嵌入式系統的創新與電池創新直接相關，這創造了許多有趣的系統和應用。Maxim Integrated 移動電源業務部副總裁兼總經理 Ravi Ambatipudi 介紹了他在electronica 嵌入式電子論壇上的主題演講。

突破性低功耗物聯網、可穿戴、耳戴式設備和邊緣設備的出現和指數增長帶來了新的系統和 IC 設計挑戰，其中每一納瓦的功耗或每一皮焦的能量都來自電池本身。?

鋰離子電池創造了不同類型的系統，從低于 1 瓦的低功率系統到高電壓的高功率系統。這些系統是為不同的細分市場創建的，從消費者到醫療保健。鋰創新通過提供不同的化學組合，如不同形狀和尺寸的鈷酸鋰和磷酸亞鐵鋰，不斷改進，以適應多種應用。新電池管理解決方案的出現將使人工智能即使在超低功耗設備中也能實現。

低功耗嵌入式系統

每個需要電池充電的低功耗系統都使用 USB C 充電端口。所有這些都需要電量計設備來確定充電狀態，同時保護電池。這些類型的系統都需要傳感器來檢測來自外部世界的信息，通常是通過處理信息的微控制器。然后，某種用戶界面和通信收發器都由向所有這些塊供電的電源部分管理。

設計人員必須保證良好的充電保質期、快速充電和電池運行自主性。“現在，這些低功耗設備變得越來越小。一分錢的電池都裝不下，”Ambatipudi 說。

其中一些新一代低功率系統與皮膚密切接觸。例如，它們可以戴在耳朵內，而且不會太熱。“如果耳機或可穿戴設備變得很熱，那將是一種非常不愉快的體驗；必須特別注意熱性能。噪聲和信號的完整性以及通信質量也是需要考慮的重要方面。”Ambatipudi 說。

設計人員還必須努力避免在首次使用時提供完全放電的產品。換句話說，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”。制造商必須通過在首次使用時提供充滿電的設備來滿足客戶的需求。這要求電池壽命非常長，避免不必要的電流損失。電流是實現長電池壽命的關鍵因素靜態電流微安級別的值可提供超過 50 個月的壽命。

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，而是呈指數級增長。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重要。由于惡劣的操作條件，實際上會隨著時間的推移而產生小的內部檢測，潛在的制造缺陷可能會加劇這種情況，從而導致熱泄漏情況。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，僅僅通過增加充電器的功率水平來實現快速充電是不可能的，因為它還會增加更多的功耗，這實際上會加熱設備。效率對于實現快速充電至關重要。

在電源管理中，DC-DC在效率方面起著重要作用。設計師必須找到一種方法，根據子系統的形狀因素為所有不同的傳感器供電，同時牢記電池壽命短和噪聲敏感性。這些元件中的每一個都控制音頻放大器、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，同時低噪音也很重要。所以你需要開關調節器，但每個開關調節器有一個電感器。通過使用SIMO架構，可以使用單個電感器生成多個輸出。通過提供多個輸出，SIMO方法以及控制器的低待機電流延長了可穿戴設計的電池壽命。調節器以最小的損耗提供能量，該架構消除了一些重復組件，同時節省了材料清單（圖2）。

圖 1：隨時間變化的能量密度（來源：Maxim Integrated）

圖 2：SIMO 架構（來源：Maxim Integrated）

電力人工智能

將 AI 推理帶到邊緣意味著從傳感器、攝像頭和麥克風收集數據，將這些數據發送到云端以執行推理，然后將答案發送回邊緣。這種架構有效，但由于延遲和能源性能較差，因此對于邊緣應用程序來說非常具有挑戰性。 ?

低功耗微控制器提供了一種替代方案，可用于實現簡單的神經網絡；然而，挑戰在于延遲，只能在邊緣執行簡單的任務。MAX78000 旨在填補這一空白。MAX78000 是一款先進的片上系統，采用 Arm ? ?Cortex ? -M4 和 FPU CPU，通過超低功耗深度神經網絡加速器實現高效系統控制。CNN引擎擁有442KB的權重存儲內存，可以支持1位、2位、4位、8位權重（支持多達350萬個權重的網絡）。該產品將最節能的 AI 處理與 Maxim 經驗證的超低功耗微控制器相結合。?

如果通過更詳細的分析，人工智能能夠確定是否真的有一個行走的人，或者它是否是一只在外面奔跑的松鼠，那么它就會很有幫助。其他可能的用途包括更好的空間意識或更好的視覺，以及為助聽器或耳機等小型設備提供更深層次的語音命令。

審核編輯 黃昊宇