高效率、低功率轉換 IC 提高可穿戴設備性能并改善生活工作條件

　　背景信息

　　可穿戴設備不再僅是在炫酷的科幻電影中才能看到的東西 (感謝《007》、《少數(shù)派報告》、《至尊神探》這些電影!)，使用可穿戴設備也不再只是夢想，可穿戴設備已經(jīng)蔚然成風。最初，可穿戴設備很簡單，例如走路或跑步計步器。不過，經(jīng)過短時間后，可穿戴設備就變得比較先進了，或者說更加智能了，包括更加重視外觀設計而不是只重視功能，因此增大了這類設備的總體吸引力。從智能服裝、谷歌眼鏡、先進的健身活動跟蹤器、虛擬現(xiàn)實設備、夜視設備到平視顯示器，可穿戴設備已經(jīng)成為主流消費、軍用和工業(yè)市場的組成部分。“可穿戴設備”可定義為用戶可以長時間穿戴的產(chǎn)品，而且由于穿戴了這種產(chǎn)品，用戶體驗以某種方式得到了提升。“智能的”可穿戴設備增加了連接功能和獨立的數(shù)據(jù)處理功能?？纱┐髟O備分成 5 種應用子類：健身 / 健康 (活動監(jiān)視器、健身腕帶、腳踏計和心率監(jiān)視器);信息娛樂 (智能眼鏡/防護鏡、智能手表和成像設備);軍用 (夜視設備、平視顯示器、人體外骨骼和智能服裝);工業(yè) (可穿戴終端) [信息來源：HIS Electronics and Media，2013]。這些應用的采用率是由不同的市場驅動力推動的。就軍事應用而言，驅動力是希望改善情境識別能力、地圖 / 路線、戰(zhàn)斗效率以及挽救生命。就工業(yè)應用而言，主要的驅動力是提高生產(chǎn)線效率和追蹤能力。就信息娛樂應用而言，驅動力來自采用尖端成像和虛擬現(xiàn)實技術的持續(xù)爆炸性增長之游戲市場，以及越來越多能夠無線連接智能手機以使其成為“物聯(lián)網(wǎng) (IoT)”組成部分的設備。最后，就健康和醫(yī)療市場而言，主要的驅動力包括：預期壽命延長、削減醫(yī)療保險費用不斷上漲、以及延長健康生活時間和減少住院。

　　運用生物統(tǒng)計信息實現(xiàn)健康生活

　　生物統(tǒng)計信息反映的是人體基本功能的生命體征。這類信息包括體溫、脈搏 / 心率、呼吸頻率和血壓。這些信息至關重要，因為生命體征出現(xiàn)負面變化可能表示健康度下降，反之亦然。顯然，醫(yī)院和醫(yī)生診室都配備了昂貴的設備，以測量這些生物統(tǒng)計信息。不過，如果這些生物統(tǒng)計信息能夠高效、低成本地在醫(yī)療環(huán)境以外測量，那么生活質量就有可能得到很大的改善。例如，在家中或者在工作環(huán)境中，可以隨時隨地實時地改變生活方式和行為方式，從而改善健康度，并有可能延長甚至挽救生命。幸運的是，由于設備價格降低和傳感器技術改進，用于醫(yī)療保健目的的智能可穿戴設備出現(xiàn)了激增。這其中包括較簡單和可以附著在身體上的“單體征”檢測產(chǎn)品，也包括較復雜、充滿傳感器且覆蓋全身的人體外骨骼。不過，從集成電路 (IC) 電子組件的角度來看，給這些可穿戴設備分區(qū)并為其高效率供電并非微不足道之事。為了進一步理解這一點，我們接下來深入剖析典型的智能可穿戴設備。

　　典型智能可穿戴設備

　　典型智能可穿戴設備包括哪些功能? 人們可能會把這種設備看成微型嵌入式系統(tǒng)。顯然，準確分區(qū)取決于設備自身，不過，一般而言，智能可穿戴設備的核心架構由以下各部分組成：

　　一個微處理器或微控制器或類似的 IC

　　某些種類的微型機電傳感器 (MEMS)

　　小型機械致動器

　　全球定位系統(tǒng) (GPS) IC

　　藍牙 / 蜂窩 / Wi-Fi 連接，以收集 / 處理和同步數(shù)據(jù)

　　成像電子組件，LED

　　計算資源

　　可充電或主 (非可充電) 電池或電池組

　　支持性電子組件

　　可穿戴產(chǎn)品的主要設計目標通常是實現(xiàn)緊湊的外形尺寸、輕重量以實現(xiàn)可穿戴性 / 舒適性、以及超低的能耗以延長電池運行時間 / 壽命。不過，用最小的電流、高效率、準確地給這類設備供電并不那么簡單。與智能可穿戴設備供電有關的一些關鍵問題如下：

　　1) 在電池供電設備中，電源管理 IC 能否消耗很小的電流對延長運行時間至關重要。微功率或毫微功率轉換 IC 是必要的。

　　2) MEMS 傳感器要求用噪聲很低的穩(wěn)定電源供電。繁忙的致動器也可以受益。LDO 或低紋波開關穩(wěn)壓器非常適合這種軌，因為這些穩(wěn)壓器具很低的輸出噪聲。

　　3) 藍牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窩連接系統(tǒng)軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或 (因為輸出電流可能很大) LDO 后穩(wěn)壓開關穩(wěn)壓器或低紋波開關穩(wěn)壓器都是極好的選擇。

　　4) 處理器 (可穿戴設備的“大腦”) 電源。從 ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片到 FPGA，都需要各種低壓軌，以全方位涵蓋各種大小的電流。這些組件可以由 LDO 或開關穩(wěn)壓器供電。

　　5) 不是所有可穿戴設備都由可充電電池供電，有些也許使用主 (非可充電) 電池，而這類電池需要在兩次更換之間提供較長的運行時間，因此，找到估計電池運行時間的方法是關鍵。

　　6) 緊湊的尺寸和很輕的重量使可穿戴設備更舒適易用。采用緊湊型封裝的 IC 可構成占板面積很小的解決方案，從而使設備既能夠具有小的外形尺寸、重量又很輕。

　　超低靜態(tài)電流 IC 解決方案

　　顯然，滿足可穿戴應用需求的 IC 解決方案以及上面討論的相關問題應該具備以下特性：

　　• 超低靜態(tài)電流，無論是運行模式還是停機模式

　　• 很寬的輸入電壓范圍，以適合各種電源

　　• 能夠高效率給系統(tǒng)軌 (有些具 >5V 的較高電壓) 供電

　　• 能夠準確地進行庫倫計數(shù)以確定電池運行時間，且不會顯著影響 IC 靜態(tài)電流 (電池消耗電流)

　　• 占板面積很小、重量很輕的扁平解決方案

　　• 先進的封裝以可改善熱性能和空間利用率

　　幸運的是，ADI公司最近推出了一些產(chǎn)品，例如超低 IQ LTC3388/-x 降壓型穩(wěn)壓器、毫微功率 LTC3331 能量收集穩(wěn)壓器以及集成了庫倫計數(shù)器的 LTC3335 降壓-升壓型轉換器都已經(jīng)具備了大部份這些特性。

　　LTC3388 是一款超低靜態(tài)電流同步降壓型轉換器，在 2.7V 至 20V 輸入電源電壓范圍內，可提供高達 50mA 連續(xù)輸出電流。LTC3388 的無負載工作電流僅為 720nA，從而使該器件非常適合多種電池供電的低靜態(tài)電流電源應用，例如“持續(xù)運作型”電源和可穿戴設備。其遲滯同步整流在很寬的負載電流范圍內優(yōu)化了效率。針對 15µA 至 50mA 的負載而言，該器件還提供超過 90% 的效率，且在穩(wěn)定時僅需要 720nA 無負載靜態(tài)電流，因此延長了電池壽命。LTC3388 采用 3mm x 3mm DFN 封裝 (或 MSOP-10)，僅需 5 個外部組件，因此能夠為多種低功率應用構成非常簡便和占板面積非常緊湊的解決方案。圖 1 顯示了 LTC3388 的典型應用電路。

　　圖 1：簡便的 LTC3388-1 典型低壓應用電路

　　毫微功率靜態(tài)電流 IC

　　LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降壓-升壓型轉換器，內置了精確的庫倫計數(shù)器，提供高達 50mA 連續(xù)輸出電流。該器件具僅為 680nA 的靜態(tài)電流，可編程峰值輸入電流從低至 5mA 直至 250mA，非常適合多種低功率電池應用，例如在可穿戴設備和 IoT 設備中見到的那些應用。其 1.8V 至 5.5V 輸入電壓范圍和 8 個 1.8V 至 5V 的用戶可選輸出允許在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓時，提供穩(wěn)定的輸出電源。此外，該器件集成的精確 (±5% 電池放電測量準確度) 庫倫計數(shù)器可在長壽命不可再充電的電池供電應用中，對累積電池放電提供準確監(jiān)視，這類應用在很多情況下具極其平坦的電池放電曲線。典型應用包括無線傳感器、遠程監(jiān)視器和ADI的 Dust Networks® SmartMesh® 系統(tǒng)。LTC3335 包含 4 個內部低 RDSON MOSFET，可提供高達 90% 的效率。其他特點包括一個可編程放電報警門限、一個用于存取庫倫計數(shù)值和器件設定的 I2C 接口、一個電源良好輸出和 8 個 5mA 至 250mA 的可選峰值輸入電流以適合多種類型和尺寸的電池。采用耐熱增強型 20 引線 3mm x 4mm QFN 封裝的 LTC3335 的工作結溫范圍為 -40°C 至 +125°C。圖 2 顯示了 LTC3335 的典型應用電路。

　　圖 2：簡化的 LTC3335 應用原理圖

　　LTC3331 是一款完整的能量收集解決方案，提供高達 50mA 連續(xù)輸出電流，當可收集能量可用時能延長電池壽命。簡便的 10mA 分流器用收集的能量給可充電電池充電，同時低電池電量斷接功能保護電池免于深度放電。當用收集的能量向負載提供穩(wěn)定功率時，該器件僅需要電池提供 200nA 電源電流，當在無負載情況下由電池供電時，僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個高壓能量收集電源、一個電池充電器和一個同步降壓-升壓型 DC/DC 轉換器，可為能量收集應用提供一個持續(xù)穩(wěn)定的輸出，例如無線傳感器網(wǎng)絡中的能量收集應用。能量收集電源由適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和高效率降壓型轉換器組成，從壓電 (AC)、太陽能 (DC)、或磁性 (AC) 能源收集能量。當沒有收集能量可用時，可充電電池輸入給降壓-升壓型轉換器供電，該轉換器在直至 4.2V 的整個電池電壓范圍內運行，無論輸入高于、低于或等于輸出，都可調節(jié)輸出。當收集能源不再可用時，LTC3331 自動轉換至電池。LTC3331 的能量收集輸入在 3V 至 19V AC 或 DC 電壓范圍內運行，從而使該器件非常適合多種壓電、太陽能或磁性能源。其輸入欠壓閉鎖門限設定是可編程的，范圍為 3V 至 18V，從而使應用能夠在峰值功率傳送點上運行能量收集電源。其他特點包括引腳可編程輸出電壓和降壓-升壓峰值電流限制、一個超級電容器平衡器和一個輸入保護性分路器。LTC3331 采用耐熱增強型 5mm x 5mm QFN 封裝。圖 3 顯示了 LTC3331 的典型應用電路。

　　圖 3：LTC3331 的典型應用電路

　　結論

　　智能可穿戴設備不再僅是虛構的電影小工具，智能可穿戴設備市場正處于爆炸性增長，這個市場涵蓋多種強調設計美觀和功能的產(chǎn)品，以及面向健康和健身、醫(yī)療、信息娛樂、軍事和工業(yè)應用領域的產(chǎn)品。例如，充滿傳感器的醫(yī)療保健可穿戴產(chǎn)品可在醫(yī)療設施外外監(jiān)視關鍵的生物統(tǒng)計信息，例如心率和血壓，為擁有更積極、更健康的生活方式創(chuàng)造了機會。智能可穿戴設備的核心架構取決于產(chǎn)品類型，但本質上都是由微控制器、MEMS 傳感器、無線連接、電池和支持性電子組件組成。給小電流可穿戴設備高效率供電可以證實是非常有挑戰(zhàn)性的，不過ADI提供了一系列領先的、能夠以低功率提供非常高性能的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)幫助促進了可穿戴設備市場的增長。諸如超低 Iq LTC3388 能量收集降壓型穩(wěn)壓器以及毫微功耗的 LTC3331 能量收集降壓型穩(wěn)壓器和集成了庫倫計數(shù)器的 LTC3335 降壓-升壓型穩(wěn)壓器等器件，都可以顯著地簡化和改善智能可穿戴設備的性能。

      作者：ADI公司電源產(chǎn)品部高級產(chǎn)品市場工程師Steve Knoth