穿戴式裝置：滿足卓越電源管理的需求

工程師在穿戴式技術(shù)環(huán)境中必須處理的主要設計問題是整體緊湊性和功耗預算。前者將為佩戴者帶來更大的舒適度，而后者則有利于長時間操作—兩者都鼓勵更多的使用。然而，這些功能可能會對彼此產(chǎn)生不利影響。
盡管微電子組件的物理尺寸不斷減小，但其復雜程度卻不斷上升，所以可提供新的特性和功能。因此，這對可用電池資源造成了壓力。所采用的電池管理技術(shù)必須提供快速充電功能，使穿戴式裝置能夠供電足夠的小時數(shù)，以避免頻繁充電，進而對使用者體驗產(chǎn)生不利影響。這就需要在電源管理集成電路 （PMIC）方面進行創(chuàng)新。
現(xiàn)代可穿戴裝置允許佩戴者監(jiān)測各種重要參數(shù)。根據(jù)裝置的特定目標，某些值比其他值更重要。設備在身體上的位置會顯著影響可以量測或不能量測的內(nèi)容。一般來說，最合適的位置是手腕，因為它提供了監(jiān)測健康/健身相關(guān)參數(shù)的最佳點，并且還可以讓佩戴者輕松檢查擷取的數(shù)據(jù)。
顯然，面臨的挑戰(zhàn)是找到一種方法來支持超低功耗作業(yè)，同時仍可實現(xiàn)緊湊的外形尺寸。流線型、輕量化的設計將最吸引消費者，并見證更廣泛的商業(yè)應用。因此，工程師在產(chǎn)品開發(fā)階段必須牢記這一點。相反，穿戴式裝置的結(jié)構(gòu)限制了電池的尺寸，從而限制了其運行時間。消費者最常見的困擾之一是產(chǎn)品的電池壽命不夠。
電源管理設計：高效率能源管理
保持最低功耗水平以及受產(chǎn)品外形尺寸限制的電池的動態(tài)發(fā)展，迫使設計團隊做出困難的電路布局選擇，以獲得完全優(yōu)化的終端產(chǎn)品。穿戴式裝置必須能夠包含不同的多媒體和感測功能，并具有足夠的電池資源，同時又不能太笨重。通常使用的方法是根據(jù)特定的功耗需求，將設計分為模擬和數(shù)字模塊，然后相應地對其進行優(yōu)化，許多電路域可以在不需要時停用，但其他電路域則依賴連續(xù)運作。
典型的穿戴式架構(gòu)將包括以下組件：微控制器、內(nèi)存、小型顯示器、適當?shù)膫鞲衅鳈C制、通訊 IC 以及隨附的電源管理電路。電源管理方面將包括負責充電的PMIC，以及各種降壓轉(zhuǎn)換器和多個低壓差（LDO）穩(wěn)壓器以支持藍牙和 Wi-Fi聯(lián)機。
穿戴式裝置的電源管理系統(tǒng)需要覆蓋多個電壓軌，一個用于微控制器，一個用于顯示器，另一個通常用于傳感器（見圖一）。微控制器和傳感器大部分時間都處于睡眠模式，但會醒來執(zhí)行預定功能或響應用戶輸入。許多可穿戴傳感器的工作電壓低至0.8V。如果負載非?；钴S（例如每隔幾秒鐘執(zhí)行一次采樣的心臟傳感器），則微控制器的電流消耗通常估計在每MHz 35μA到40μA之間，因此在尋求支持時，超低功耗設計是一個主要關(guān)注點。


 
圖一 : 穿戴式裝置的典型電路架構(gòu)（source：Renesas）

電源管理系統(tǒng)以兩種不同的形式執(zhí)行DC/DC電源轉(zhuǎn)換：
?透過線性穩(wěn)壓器—可完全整合到PMIC芯片中并具有電壓可擴展性。
?透過基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器—效率高且具電壓可擴展性，但往往是分立式的而不是整合式的。

這些調(diào)節(jié)器在物理尺寸、靈活性、效率等方面有所不同。
?使用超低IQ穩(wěn)壓器可能是合適的，因為它們會降低「始終處于活動狀態(tài)」的傳感器或外圍的待機功耗，這些有助于延長電池壽命并支持使用較小的電池。
?當穿戴式裝置使用、進行量測或進行數(shù)據(jù)傳輸時，高效率的穩(wěn)壓器可顯著降低有功功率。
?整合使復雜的電源架構(gòu)能夠在空間限制嚴格的項目中實施。

選擇合適的穩(wěn)壓器是最大限度提高效率的關(guān)鍵因素，還需要評估活動模式和待機模式下的當前功耗，使用具有強阻抗匹配的接口有助于滿足低電流要求并延長電池壽命。Renesas的ISL9016等尖端LDO控制器可以在每個通道上提供高達150mA的電流。此組件配備高達200mΩ的靜電電阻（ESR）。 ISL9016也能夠在啟用單一LDO的情況下以非常低的靜態(tài)電流運作（圖二）。

 
圖二 : Renesas ISL9016 LDO控制器的靜態(tài)電流與輸入電壓的關(guān)系（VOUT1 = 3.3V，僅LDO1啟用）。 （source：Renesas）

盡管開關(guān)配置比使用LDO更有效率，但它需要各種電感器來提供不同的電壓軌，這些都會增加成本和尺寸，因此在穿戴式裝置的設計中基本上是不切實際的。電源管理的首選架構(gòu)將是單電感器多輸出（SIMO），而不是增加組件數(shù)量和物料列表，以及占用更多的電路板空間。
SIMO降壓-升壓穩(wěn)壓器IC，例如Maxim Integrated MAX77650（圖三），具有單一電感器，可根據(jù)電路要求在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)多達三個輸出電壓，指定它可以消除對某些分立組件的需求，從而節(jié)省空間。


 
圖三 : Maxim Integrated的MAX77650是一款高度整合的電池充電和電源解決方案，適用于低功耗穿戴式應用。（source：Maxim Integrated）

電池容量與產(chǎn)品尺寸
一個典型的設計問題是在各種使用場景下保持電池壽命。智能型手表的空間通常只能容納一顆電壓為3.8V、容量為130mAh至410mAh的單顆鋰離子電池，鋰離子是小型可充電電池中最受歡迎的化學物質(zhì)。電池管理和充電系統(tǒng)的目標是在充電和操作過程中仔細監(jiān)控電流、電壓和溫度，主要挑戰(zhàn)是最大限度地降低系統(tǒng)本身的功耗水平、減少充電所需的時間，以及最大限度地提高可用電池電量。高度整合的Texas Instruments BQ25100專為給單節(jié)鋰離子電池充電而設計，并允許使用具有非穩(wěn)定輸出的低成本網(wǎng)絡適配器，該PMIC還可以處理其他電池化學成分，例如鋰聚合物。
盡管與其他電池技術(shù)相比，鋰離子電池占據(jù)了更多的市場，但它們在功率、尺寸和充電次數(shù)方面永遠無法與超級電容器競爭。隨著穿戴式裝置變得越來越小，其內(nèi)部空間變得越來越寶貴，目前的趨勢是超級電容器取代可充電電池，提供一種基于奈米技術(shù)的新能源儲存方式。與電池不同，超級電容器能夠很好地適應能量收集裝置，并且可以在幾秒鐘內(nèi)充電。它們還可以承受幾乎無限的充電周期。
AVX的PrizmaCap是棱柱形超級電容器，可單獨使用或與一次或二次電池結(jié)合使用，以幫助延長備用時間、電池壽命或根據(jù)需要提供瞬時功率脈沖。它們最適合用于穿戴式裝置等應用，以及需要脈沖功率處理或能量儲存的空間受限設計。
人們正在研究能量收集解決方案，作為穿戴式裝置永久使用的輔助能源，而不受超低功耗設計的限制。一個有趣的方法是透過利用不同材料層的相對運動來產(chǎn)生小電流，這個過程稱為「摩擦起電」（triboelectric charging）。這些材料會獲得電荷，因為它們在相互移動時會產(chǎn)生摩擦，透過將不同的材料層放在兩個導電電極之間，日常人體運動可以產(chǎn)生幾微瓦的功率，有助于為穿戴式裝置的電池充電，從而優(yōu)化電源系統(tǒng)的運作。

結(jié)論
專用且日益高效的硬件的出現(xiàn)正在將可穿戴市場引向大量的行動裝置。新型PMIC以及Microchip和Analog Devices等公司專用SoC的推出，將使最新一代的可穿戴裝置在能源效率、運算能力和緊湊性之間找到適當?shù)钠胶?。當電子設備小到耳機或醫(yī)療貼片時，電池的容量將受到限制。廣泛的工程方法可以幫助找到延長電池壽命的解決方案，從而節(jié)省每一個微安培（μA）的可用能源。

（本文作者Mark Patrick工作于貿(mào)澤歐洲、中東和非洲（EMEA）團隊）