可穿戴技術(shù)利用低功率轉(zhuǎn)換保障身體健康

摘要：本文分析了典型的可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提供了一種超低靜態(tài)電流IC解決方案。

　　一度像走路或跑步計(jì)步器一樣簡(jiǎn)單的可穿戴設(shè)備，似乎一夜之間就變得更先進(jìn)或智能化了。從面向聽(tīng)障人士的語(yǔ)音振動(dòng)轉(zhuǎn)換背心、先進(jìn)的健身活動(dòng)跟蹤器到夜視設(shè)備甚至平視成像顯示器，可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為消費(fèi)類(lèi)、軍用和工業(yè)市場(chǎng)的一部分。“可穿戴產(chǎn)品” 可定義為具備以下特點(diǎn)的產(chǎn)品：用戶(hù)穿戴在身上較長(zhǎng)時(shí)間，而且由于穿戴了該產(chǎn)品而在某種程度上擁有更好的體驗(yàn)?！爸悄芑?可穿戴產(chǎn)品則增加了連網(wǎng)能力和獨(dú)立數(shù)據(jù)處理能力?？纱┐鳟a(chǎn)品從應(yīng)用上分成 5 種類(lèi)別：健身 / 保健 (活動(dòng)監(jiān)視器、健身帶、足部傳感器和心率監(jiān)視器);信息娛樂(lè) (智能眼鏡 / 護(hù)目鏡、智能腕表和成像設(shè)備);軍用 (夜視設(shè)備、平視顯示器、人體外骨骼和智能服裝);工業(yè) (佩戴在身上的終端) [來(lái)源：2013 IHS Electronics and Media]。這些產(chǎn)品的采用率是由不同的市場(chǎng)力量驅(qū)動(dòng)的。就軍用類(lèi)別而言，人們希望的是提高作戰(zhàn)效能以及對(duì)周?chē)闆r的感知、地圖 / 路徑識(shí)別和拯救生命的能力。工業(yè)類(lèi)別的主要驅(qū)動(dòng)力是提高生產(chǎn)線(xiàn)效率和跟蹤能力。對(duì)于信息娛樂(lè)類(lèi)別則是采用尖端成像及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以持續(xù)爆炸性增長(zhǎng)游戲市場(chǎng)，以及日益增加并能夠無(wú)線(xiàn)連接智能手機(jī)以成為 “物聯(lián)網(wǎng) (IoT)” 組成部分的設(shè)備。最后，保健與醫(yī)療市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力包括：平均壽命延長(zhǎng)、限制不斷上升的醫(yī)療和保險(xiǎn)費(fèi)用、希望保持健康生活以及縮短住院時(shí)間。

有關(guān)健康的生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

　　有關(guān)健康的生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指的是衡量人體基本機(jī)能的生命體征數(shù)據(jù)，包括體溫、脈搏/心率、呼吸頻率和血壓。這些生命體征數(shù)據(jù)至關(guān)重要，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)中如果出現(xiàn)不好的變化，可能意味著健康水平下降，反之亦然。為了測(cè)量這些生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，醫(yī)院和醫(yī)生診室中當(dāng)然配備了齊全、昂貴的設(shè)備。不過(guò)，想象一下，如果不用去醫(yī)院就可以高效測(cè)量這些數(shù)據(jù)，而且不用花費(fèi)很多，那么生活質(zhì)量會(huì)有多大改觀? 例如，在家中或工作場(chǎng)所，可以按照實(shí)時(shí)生命體征數(shù)據(jù)即時(shí)調(diào)整生活和行為方式，這可以改善健康水平并有可能延長(zhǎng)甚至挽救生命。幸運(yùn)的是，設(shè)備成本大幅下降，先進(jìn)的傳感器技術(shù)不斷進(jìn)步，因此智能醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備得以持續(xù)激增。這類(lèi)可穿戴設(shè)備包括較簡(jiǎn)單并可佩戴在身上的 “單一生命體征” 測(cè)量產(chǎn)品，也包括較復(fù)雜和到處都是傳感器的人體外骨骼設(shè)備。不過(guò)，從集成電路 (IC) 電子產(chǎn)品角度來(lái)看，劃分這些可穿戴設(shè)備的組成以及給這些設(shè)備高效供電并非微不足道之事。為了進(jìn)一步理解這一點(diǎn)，接下來(lái)看看一個(gè)典型的智能可穿戴設(shè)備的內(nèi)部組成。

典型的智能可穿戴設(shè)備

　　典型智能可穿戴設(shè)備的運(yùn)行靠什么驅(qū)動(dòng)? 可以把它想象成一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)。準(zhǔn)確地劃分其組成顯然取決于設(shè)備本身。一般而言，一款智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)包括以下部分：

　　● 一個(gè)微處理器或微控制器或類(lèi)似 IC;

　　● 某些微型機(jī)電傳感器 (MEMS);

　　● 小型機(jī)械傳動(dòng)器;

　　● 全球定位系統(tǒng) (GPS) IC;

　　● 藍(lán)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(jì)算資源;

　　● 可再充電或主 (非可再充電) 電池或電池組;

　　● 支持性電子組件。

　　可穿戴設(shè)備的主要設(shè)計(jì)要求通常是緊湊的外形尺寸、重量很輕以實(shí)現(xiàn)可穿戴性 / 舒適性、以及超低能耗以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間 / 壽命。不過(guò)，以最低電流消耗準(zhǔn)確和高效地給這些設(shè)備供電并非如此簡(jiǎn)單。與智能可穿戴設(shè)備供電有關(guān)的主要問(wèn)題包括：

　　(1)在電池供電設(shè)備中，電源管理 IC 的電流消耗要很低，這對(duì)延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間是至關(guān)重要的。必要使用微功率或毫微功率轉(zhuǎn)換 IC。

　　(2)MEMS 傳感器需要用穩(wěn)定和低噪聲的電源供電。動(dòng)作頻繁的傳動(dòng)器也能從中受益。LDO 或低紋波開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器非常適合這類(lèi)軌，因?yàn)檫@類(lèi)穩(wěn)壓器具備很低的輸出噪聲。

　　(3)藍(lán)牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窩連接系統(tǒng)電源軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或 LDO 后置調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 (因輸出電流可能很高) 或低紋波開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是非常好的選擇。

　　(4)處理器 (可穿戴設(shè)備的 “大腦”) 電源。從 ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片到 FPGA，都需要各種低壓電源軌，以涵蓋整個(gè)電流范圍。這些芯片可以由 LDO 或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器供電。

　　(5)既然不是所有可穿戴設(shè)備都由可再充電電池供電，那么有些設(shè)備可以使用主 (非可再充電) 電池，這類(lèi)電池要求每次更換之間可運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。因此，找到一種估計(jì)電池運(yùn)行時(shí)間的方法是個(gè)關(guān)鍵。

　　(6)緊湊的尺寸和很輕的重量使用戶(hù)感覺(jué)更加舒服。封裝緊湊的 IC 可構(gòu)成占板面積很小的解決方案，因此使可穿戴設(shè)備外形小且重量輕。