如何提高可穿戴設(shè)備的電池續(xù)航

薄、小、輕—這些是對(duì)可穿戴設(shè)備的基本要求，也解釋了為什么可穿戴技術(shù)的限制是電池續(xù)航的長(zhǎng)短。傳統(tǒng)符合要求的電池有鋰電池紐扣電池，這種電池對(duì)傳感器和其他的小功率穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)足夠了，但它很難跟上越來(lái)越多的可穿戴設(shè)備的腳步，比如健康帶和智能手表?，F(xiàn)在大多數(shù)智能手表電池只夠用一天。更有甚者，可能在4月份發(fā)布的萬(wàn)眾矚目的Apple Watch，其電池續(xù)航僅為2.5個(gè)小時(shí)

圖一：Apple Watch是蘋果第一款可穿戴，具有革命性的新技術(shù)和開創(chuàng)性的用戶界面。(照片由蘋果公司提供)

對(duì)這些類型的設(shè)備來(lái)說(shuō)，提高電池續(xù)航是獲取市場(chǎng)份額的關(guān)鍵，這將是一個(gè)龐大的市場(chǎng)，預(yù)測(cè)將在2018年達(dá)到3.8億個(gè)單位。能量收集，無(wú)線充電，電池管理，電源管理和低消耗解決方案都是在可穿戴設(shè)計(jì)中提高續(xù)航的可選擇方案。本文章將突出介紹有關(guān)這些領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，來(lái)幫助可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)師們創(chuàng)造優(yōu)秀的電源方案并更好的做好電源分配工作。

能量收集電源管理

能量汲取于身體，如體溫和肢干的運(yùn)動(dòng)，或者來(lái)自環(huán)境如環(huán)境光線攜帶的僅微瓦到毫瓦單位的能量—不足以支撐智能手表的使用。德州儀器(TI)有一種設(shè)備，bq25570，它能把收集到的300到400毫瓦一下推到能給電池充電的3到5V。雖然現(xiàn)在這不能產(chǎn)生足夠智能手表工作的電量，但至少能延長(zhǎng)工作時(shí)間。“超低功耗高能量采集管理集成電路”如bq25570，也包括一個(gè)提供能第二種電力運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的高效nano-電源降壓變換器。

傳統(tǒng)電池充電(usb或適配器)

我們當(dāng)然可以給可穿戴設(shè)備的電池用傳統(tǒng)方式充電，通過(guò)usb或適配器連接。TI的新bq25100單電池鋰電池充電器提供了一個(gè)微型解決方案幾乎相當(dāng)于現(xiàn)存電源方案的一半，同時(shí)它又能在成本敏感的可穿戴市場(chǎng)里支持低成本適配器的使用。充電器有高達(dá)30V的輸入電壓和6.5V的輸入電壓保護(hù)，除了其他的保護(hù)參數(shù)。Maxim的MAX14676/76A為可穿戴設(shè)備的電源充電管理提供了另一種選擇。高度集成的MAX14676/76A，我們可以把它描述為“可穿戴電源管理方案集成電路”，它不止包括線性的充電電路，也包括延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)大量的低消耗能源管理周邊節(jié)約主機(jī)板的空間。這些包括一個(gè)1.8V的低靜態(tài)電流(lq)200mA的降壓調(diào)節(jié)器，3.2V的低靜態(tài)電流100mA低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，2.0V“永遠(yuǎn)打開”50µA LDO，+5V安全輸出LDO，6.6V低Lq120µA電荷泵，甚至5V到17V的輸出激增轉(zhuǎn)換器可支持廣泛種類的顯示選項(xiàng)。

bq25100和MAX14676/76A都能與無(wú)線電力接收器/發(fā)射器搭配，提供可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的無(wú)線充電能力。

Qi-Compliant無(wú)線充電方案

無(wú)線充電由于其便捷性變得很受穿戴設(shè)備的歡迎。和傳統(tǒng)線性充電方式相比，消費(fèi)者更傾向于直接把智能手表放在無(wú)線充電基座上，而不是到處找充電線和插座并連接三者為智能手表充電。因此，許多的無(wú)線充電方案適用于種類豐富的產(chǎn)品。以下重點(diǎn)介紹了德州儀器的方案。

TI提供了一個(gè)無(wú)線充電方案的前沿設(shè)計(jì)，TIDA-00318，可適用于低功率穿戴設(shè)備。這種方案可以搭配之前我們介紹過(guò)的bq25100單電池鋰電池線性充電器，和一個(gè)Qi compliant無(wú)線電源接收器來(lái)滿足整個(gè)Qi compliant無(wú)線充電方案。Qi是一個(gè)無(wú)線充電設(shè)備的國(guó)際互通標(biāo)準(zhǔn);任何Qi認(rèn)證的無(wú)線電源接收設(shè)備，如Moto 360 智能手表，能夠在有Qi認(rèn)證的所有基座上完成充電。因此，任何執(zhí)行TIDA-00318的可穿戴設(shè)備都該獲得Qi認(rèn)證在Qi充電基座上工作。TIDA-00318為135mA充電規(guī)格而設(shè)計(jì)，而且體積很小，僅為5x15mm2。

對(duì)一個(gè)更小的可穿戴設(shè)備無(wú)線充電接收器方案，TI有TIDA-00329參考設(shè)計(jì)。它只有5.23mm x 5.48mm合并了你bq51003 Qi compliant無(wú)線電源接收器或bq51050B/51B Qi compliant 無(wú)線充電。這種微型設(shè)計(jì)能提供高達(dá)2W的電量。

在無(wú)線電源發(fā)射器上，或者可穿戴設(shè)備無(wú)線充電方案充電基座的一面，TI提供了TIDA-00334參考設(shè)計(jì)。在小型可穿戴設(shè)備發(fā)射器的設(shè)計(jì)上采用了bq500212A IC。微型usb連接器的電源是5V。低功率設(shè)計(jì)支持接收器的輸出功率高達(dá)2.5W。

TIDA-00334無(wú)線發(fā)射器參考設(shè)計(jì)陳列在一個(gè)30mm的區(qū)域內(nèi)，匹配Wurth coil760308101103的圓直徑，只比一個(gè)15分美元或2歐硬幣大一點(diǎn)。

圖二：Wurth Elektronik's WE-WPCC 無(wú)線充電接受器線圈符合WPC的Qi標(biāo)準(zhǔn)。

電源管理

極低的電源轉(zhuǎn)換對(duì)實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備最佳的電源續(xù)航來(lái)說(shuō)很危險(xiǎn)。以下是一些最新的低功率產(chǎn)品或者高效直流-直流轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

TI的 TPS727xx系列，250mA LDOs 特色是有著極小的僅為7.9µA靜態(tài)電流，低流失(100mA典型電壓為65mV，200mA典型電壓為130mV，250mA典型電壓為163mV)，寬輸出電壓和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。LDO還有一個(gè)特點(diǎn)是有著高電源電壓抑制比(PSRR)，在RF應(yīng)用上有著1kHz 70dB的平穩(wěn)表現(xiàn)，有著小的低成本的10µA陶瓷電容器。

如今TI推出的還有TPS82740B 200mA降低轉(zhuǎn)換模塊，在能提供95%的轉(zhuǎn)換率，在工作時(shí)僅消耗360nA lq，而安靜時(shí)更僅為70nA。小型模塊可用于完全整合，合并了交換調(diào)整器，感應(yīng)器和輸入/輸出電容9-bump MicroSiP™組件，實(shí)現(xiàn)了僅6.7mm2大小的尺寸。

圖3: 低功率TPS82740x 360nA Micro SIP 降低轉(zhuǎn)換器模塊

遞增的或激增的轉(zhuǎn)換通常不如降壓轉(zhuǎn)換有效率。然而，加大電源電壓對(duì)系統(tǒng)中不同的電路來(lái)說(shuō)很有必要，特別是演示。Maxim有新1A增壓器，MAX8627能使單電池鋰電池產(chǎn)生激增的輸出電壓從3V到5V，高達(dá)95%的轉(zhuǎn)換率只消耗20µA lq。硅谷實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在有TS33x增壓器，擁有行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的低至150nA的lq。TS33x增加輸入電壓從0.9V到3.6V，并且有8個(gè)可選擇的范圍為1.8V到5V的輸出電壓。

藍(lán)牙，微控制器和其它低功率方案

事實(shí)上，系統(tǒng)中的所有東西都需要考慮到，當(dāng)試圖延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備電池續(xù)航時(shí)。

一個(gè)常見(jiàn)的省電的方式就是關(guān)閉一些高耗電的功能，如在其他東西上處理顯示，比如智能手表，寫字板，或電腦。Bluetooth® Smart或者叫低耗藍(lán)牙，自動(dòng)被加入大多數(shù)新智能手表中，因此是可穿戴設(shè)備無(wú)線交流方式標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙也可用于從智能手機(jī)傳送信息到智能手表，并且TI提供了一個(gè)“藍(lán)牙可穿戴手表發(fā)展系統(tǒng)”叫做 TI Meta Watch™ 確保了相關(guān)手表設(shè)備的快速發(fā)展。Meta Watch SDK/API 使在手表上從手機(jī)應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上接受信息很容易。開發(fā)系統(tǒng)包括有顯示屏的智能手表，和一個(gè)3 ATM 防水不銹鋼外殼，皮帶表，礦石水晶鏡面，震動(dòng)電機(jī)，三軸加速計(jì)，和環(huán)境光感應(yīng)器。

圖4：德州儀器Meta Watch™ Bluetooth® 可穿戴手表開發(fā)系統(tǒng)確保了“可連接手表”應(yīng)用的快速發(fā)展。

Meta手表平臺(tái)已為低功率運(yùn)行優(yōu)化，基于TI16位的MSP430™超低功率的微控制器 (MCU)和CC2564藍(lán)牙主控器界面方案。

選擇MCU對(duì)可穿戴設(shè)備的電源管理很重要，高效的MCU能加速載入數(shù)據(jù)并迅速進(jìn)入睡眠，保存電量。低能睡眠模式在系統(tǒng)不被使用時(shí)能有效減少電源消耗?？纱┐髟O(shè)備的設(shè)計(jì)者比之前有更多MCU的選擇，32位比16位更有成本競(jìng)爭(zhēng)力。為成本和功率敏感的MCU優(yōu)化的ARM’s Cortex-M series32位處理器核心已經(jīng)能預(yù)見(jiàn)到在可穿戴市場(chǎng)的成功。從超低功耗的Cortex-M0 and M0到高性能的 Cortex-M7，ARM Cortex-M 系列可以提供能滿足不同需求的各種穿戴設(shè)備?；贏RM-Cortex-M系列的MCU如今許多廠商都可提供，包括德州儀器，和STMMicroelectronics，有著STM32 MCU巨大的生產(chǎn)線，包括STM32L1和L0 超低功耗MCU。

最后，一定要考慮到可穿戴設(shè)備中無(wú)數(shù)的傳感器的電源管理。傳感器技術(shù)的發(fā)展是加劇可穿戴市場(chǎng)發(fā)展的燃料。但是我們不能忘記傳感器的外圍電路。STMicro可用于有低功耗傳感器信號(hào)調(diào)理的可穿戴傳感器，通過(guò)提供QA4NP線組，每信道只消耗580nA的低功耗運(yùn)算放大器(在1.8V的電源供給下)。

這只是一小部分，關(guān)于現(xiàn)在低耗管理技術(shù)，和產(chǎn)品如何協(xié)作，來(lái)創(chuàng)造能滿足有急切需求的可穿戴市場(chǎng)的超低電源系統(tǒng)。然而，認(rèn)識(shí)到超低功耗設(shè)備不止足于穿戴設(shè)備很重要;新的低耗技術(shù)也能應(yīng)用于其他的應(yīng)用程序，那些很難保存電量的程序。