為可穿戴設(shè)備提供更出色的電源管理解決方案

關(guān)鍵詞： 電源管理 , 可穿戴設(shè)備 , 長續(xù)航 , 低功耗

        可穿戴設(shè)備正集成越來越多的功能，這為電源管理帶來挑戰(zhàn)?？纱┐髟O(shè)備中的電池通常非常小，設(shè)備又需要長時間工作而不用充電，因此功耗是一個關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。要保證可穿戴設(shè)備的時尚性，電路需要保持在極小的尺寸以內(nèi)，這使電源管理等器件更傾向于采用單芯片解決方案。為應(yīng)對電池技術(shù)難以解決續(xù)航時間的訴求，可穿戴設(shè)備有可能采用新型電源，例如對太陽能或熱能進(jìn)行能量采集。
可穿戴設(shè)備電源的安全性也不可忽視，充電器需要考慮到各種保護(hù)措施?？纱┐髟O(shè)備電源還需要考慮充電精度、顯示驅(qū)動以及平臺兼容性等一系列的問題。另外，可穿戴設(shè)備市場目前還處于起步階段，有許多可穿戴設(shè)備還是沿用已有的便攜設(shè)備電源管理方案做開發(fā)。
TI：高精度、低功耗是延長續(xù)航時間的關(guān)鍵
德州儀器(TI)高性能模擬半導(dǎo)體產(chǎn)品部電池管理產(chǎn)品市場及應(yīng)用經(jīng)理文司華博士認(rèn)為，在可穿戴設(shè)備中，電池通常非常小(例如100 mAh)，設(shè)備又需要持續(xù)幾天甚至是幾個星期而又不用充電，因此功耗是一個關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。因此，高功率轉(zhuǎn)換效率將是一個關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素。時尚的手腕式可穿戴設(shè)備要想保持其酷炫特點(diǎn)，電子電路需要保持在極小的尺寸以內(nèi)。這推動了高水平的包括電源管理IC在內(nèi)的全器件集成。此外，功率器件的占板面積和封裝應(yīng)做到盡可能小。另外，可穿戴設(shè)備可能采用新型電源，例如對太陽能或熱能進(jìn)行能量采集。同時，某些產(chǎn)品可能更傾向于非接觸式充電。這些非接觸式充電當(dāng)中包括了無線充電。( 請參考：更多電源管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方案。)

德州儀器(TI)高性能模擬半導(dǎo)體產(chǎn)品部電池管理產(chǎn)品市場及應(yīng)用經(jīng)理文司華博士

對于可穿戴電源目前存在的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，他總結(jié)了以下五點(diǎn)。
● 在鋰電池過充或溫度過高會導(dǎo)致起火，鋰電池的安全性問題仍讓人擔(dān)憂的同時，充電器應(yīng)具有幾乎所有類型的安全設(shè)計(jì)，包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)、短路保護(hù)和低溫充電等，甚至是在充電器IC及解決方案尺寸必須保持非常小的情況下也是如此。
● 因?yàn)榭纱┐髟O(shè)備中的電池較小，充電精度的需求提高使為這些小電池充電并非易事。充電器必須能夠提供更小的充電截止電流。換言之，充電器的精度應(yīng)該更高，達(dá)mA級。例如，在智能手機(jī)系統(tǒng)中，2,000 mAh電池的正常充電電流為1.2 A(0.6 C)，充電截止電流應(yīng)為正常充電電流的1/10～1/20，即120 mA～60 mA。然而在手環(huán)中，由于電池容量可能為100 mAh，正常充電電流將為60 mA，充電截止電流應(yīng)為6 mA～3 mA。滿足這種要求的充電器器件很難找到。
● 可穿戴設(shè)備應(yīng)具有較長續(xù)航時間。通常，如果消費(fèi)者每天都要為設(shè)備充電，他們就會不高興。在現(xiàn)在許多最好的智能手機(jī)都必須一兩天充電一次的情況下，終端用戶顯然期待能夠有所改善。整個電源管理應(yīng)能夠提供高效率的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這包括：穩(wěn)壓器效率，以及穩(wěn)壓器和電池充電器應(yīng)提供低靜態(tài)電流、低待機(jī)電流和低漏電流。具有極低漏電流和待機(jī)電流以及低靜態(tài)電流的電源管理器件更加難于設(shè)計(jì)。
● 甚至是現(xiàn)今最好的電池技術(shù)也不能完全解決電池運(yùn)行時間的訴求。我們需要在使用可穿戴設(shè)備的同時，開發(fā)新的電源。新型電源的瓶頸在于其轉(zhuǎn)換為可用功率時，功率密度和轉(zhuǎn)換效率極低。
● 在可穿戴設(shè)備中，因?yàn)闈穸?、腐蝕等關(guān)系，許多產(chǎn)品的失效點(diǎn)為充電/信號連接器。




       
針對這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，TI 的應(yīng)對措施如下。
● TI的充電器IC和電量計(jì)IC為工作中的電池提供了最廣泛的保護(hù)和監(jiān)控。TI在保持相同水平保護(hù)功能的同時縮小半導(dǎo)體尺寸的過程中取得了成功。例如，bq24040和bq25100都與JEITA標(biāo)準(zhǔn)兼容。兩者都具有Ts輸入用于監(jiān)控電池?zé)崦綦娮?，以保證充電溫度在合適范圍內(nèi)。bq24040尺寸為2mm×2mm，并且在2014 年中期推出bq25100之前是最小的充電器。bq25100尺寸為1.6 mm×0.9 mm，與0603尺寸的電容相當(dāng)(圖1)。

圖1：最小的鋰電池線性充電器bq25100，靜態(tài)電流僅75nA，截止電流1mA

● 主流可穿戴設(shè)備品牌采用TIbq24040/45或bq24232(帶電源通路)充電器IC，是因?yàn)樗鼈兊某叽巛^小(分別為2mm×2mm和3mm×3mm)、精度較高。并且在適配器連接時，甚至是電池電量耗盡時，bq24232允許系統(tǒng)立即上電。在先進(jìn)的可穿戴設(shè)計(jì)中，精度和電源通路特性最受青睞。另外，bq25100允許正常充電電流最小為10 mA，并且能夠?qū)⒊潆娊刂闺娏骰蝾A(yù)充電電流設(shè)置為1mA，這是針對可穿戴設(shè)備的業(yè)界最高精度。
● 為了在電源管理系統(tǒng)中降低功耗，TI針對可穿戴設(shè)備在極低的流耗下工作改造了這些器件。例如，bq25100在工作模式下的靜態(tài)電流小于1μA，并且在bq25100處于關(guān)閉模式時，電池漏電流低至75 nA。同時，“Nano -Buck”TPS62736降壓轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流極低，僅為380nA，在15nA低負(fù)載的情況下，能夠幫助實(shí)現(xiàn)超過90%的效率。與在低負(fù)載條件下的傳統(tǒng)DC/DC轉(zhuǎn)換相比，這能夠延長30%～50%的電池運(yùn)行時間。
● 能量采集技術(shù)刺激了可穿戴設(shè)備的新應(yīng)用。TPS25504能夠從單個太陽能電池(約0.3～0.6V)或TEG(熱電發(fā)生器，＜0.3V)等低能量源中獲取能量。它對啟動電壓的要求較低，僅為0.33V，并且能夠在低至80 mV的電壓下工作。其靜態(tài)電流也很低，僅為330nA。
● 隨著Moto360等應(yīng)用取得極大成功，無線充電變成了可穿戴設(shè)備，尤其是智能手表的取代性選擇方案。使用無線充電可使可穿戴設(shè)備無需使用連接器，做到更好地密封；無線充電有利于推廣帶有定制底座的易于充電的使用案例；無線充電Rx推薦是Qi兼容的，這樣可穿戴設(shè)備能夠在任何標(biāo)準(zhǔn)的Qi充電器上進(jìn)行充電. Tx可以是Qi兼容的,但有些設(shè)計(jì)限于尺寸或特殊形狀要求，TX線圈需要定制(非Qi規(guī)范)。
在可穿戴設(shè)備電源產(chǎn)品未來的規(guī)劃上，文司華表示：“我們將繼續(xù)針對可穿戴設(shè)備提供高集成度、低功耗、高精度的電源管理器件、充電器、能量采集器和電量計(jì)，以及有可能覆蓋感應(yīng)式充電和磁共振充電的無線充電產(chǎn)品。”




       
ST：小體積、單芯片電源管理方案是發(fā)展趨勢
意法半導(dǎo)體(ST)市場部技術(shù)經(jīng)理樊志生認(rèn)為，可穿戴設(shè)備有以下三點(diǎn)趨勢。第一，超低靜態(tài)電流和小封裝電源管理單芯片是個趨勢。該電源管理芯片需集成線性充電、LDO和DC/DC等功能。LDO和DC/DC給其他模塊供電，比如藍(lán)牙、傳感器、MCU、GPS等。比如，STNS01是一個集成路徑管理、3 .1V/ 100mA超低靜態(tài)電流LDO、線性充電和過放保護(hù)的電源管理芯片。整個芯片尺寸只有3mm×3mm ,同時待機(jī)功耗只有100 nA。路徑管理可以保證即插即用，和減少電池充放電次數(shù)以延長電池壽命。3.1V/100mA超低靜態(tài)電流LDO在沒有負(fù)載時可以實(shí)現(xiàn)1nA的靜態(tài)電流。線性充電的充電電流可以通過外圍電阻設(shè)置充電電流從15mA～200mA，可以滿足所有各種可穿戴設(shè)備對充電電流的要求。第二，太陽能充電及無線充電將廣泛用于智能手表。隨著國家對節(jié)能要求和可穿戴設(shè)備用戶戶外運(yùn)動比較多的特點(diǎn)，太陽能充電就是一個很好的解決方案。無線充電本身帶有封閉性好的特點(diǎn)，尤其對一些戶外運(yùn)動或水下運(yùn)動的可穿戴設(shè)備將是一個很好的充電解決方案。第三，AMOLED屏驅(qū)動芯片。AMOLED屏將廣泛應(yīng)用于智能手表。跟傳統(tǒng)LCD屏比較，AMOLED屏具有更高的亮度、更薄、更好的分辨率和更省電等特點(diǎn)。STOD32W是一個能滿足不同尺寸要求的驅(qū)動芯片。
在可穿戴設(shè)備電源方面，ST有很多解決方案，包括：PMIC(電源管理IC)、線性充電器、超低靜態(tài)電流的LDO、太陽能和無線充電方案、顯示屏驅(qū)動芯片。比如，STNS01是一款帶有路徑管理、3.1V/100mA LDO、線性充電和過放保護(hù)功能的電源管理芯片。STLQ015具有超低靜態(tài)電流的LDO。在沒有負(fù)載的狀態(tài)下，其靜態(tài)電流只有1uA，不工作狀態(tài)下只有1nA。同時，ST還提供太陽能和無線充電方案。STOD32W是一款100mA電流和三路輸出的AMOLED屏驅(qū)動芯片，最大可以給3”的AMOLED屏供電。SPV1050是一款集成兩路LDO的太陽能充電芯片。
“在可穿戴設(shè)備電源設(shè)計(jì)方面，不同芯片平臺廠家將會推出自己不同功能的可穿戴設(shè)備解決方案，設(shè)計(jì)適合不同廠家平臺的電源管理芯片將是一個挑戰(zhàn)；還有就是超低功耗和小尺寸。另外，目前還沒有適合不同尺寸要求的無線充電。現(xiàn)有的無線充電三大標(biāo)準(zhǔn)下，對于用于無線充電線圈大小定義都不適合現(xiàn)有可穿戴設(shè)備尺寸?！狈旧硎荆拔覀儗瞥龈〕叽?比如CSP封裝)的電源管理芯片。同時對于現(xiàn)有的無線充電三大標(biāo)準(zhǔn)下，用于無線充電的線圈大小定義都不適合現(xiàn)有可穿戴設(shè)備尺寸的情況，ST將推出具有自定義無線充電線圈大小的解決方案。比如針對智能手表，我們將會推出基于Qi標(biāo)準(zhǔn)的2.5W無線充電方案。另外，ST計(jì)劃推出的產(chǎn)品還有：更高效率的AMOLED驅(qū)動器芯片，CSP封裝的集成線性充電器、LDO或DC/DC等功能的電源管理芯片等?！?br /> 最后，他強(qiáng)調(diào)：“個人認(rèn)為應(yīng)該針對不同消費(fèi)群體推出不同功能的可穿戴設(shè)備。未來幾年將是可穿戴設(shè)備爆發(fā)增長的幾年。必須有更強(qiáng)電池續(xù)航能力。低功耗必定是一個趨勢。”




       
ADI：迎合電源管理低功耗、小體積及低成本要求
“可穿戴設(shè)備本身是很寬泛的概念覆蓋各類產(chǎn)品形態(tài)，包括傳統(tǒng)便攜設(shè)備(如手表)，也包括在非設(shè)備類的穿戴產(chǎn)品中附件上各類傳感器進(jìn)而成為可穿戴設(shè)備的范疇，例如衣服鞋帽等?？纱┐髟O(shè)備所提供的功能目前多集中在在工具類(如GPS、環(huán)境等)和運(yùn)動健康類(如計(jì)步、睡眠、心率、體脂分析，以及血氧等)?！盇DI公司亞太區(qū)醫(yī)療行業(yè)市場經(jīng)理王勝介紹道。
他指出，可穿戴設(shè)備現(xiàn)狀有如下幾個特點(diǎn)：整個智能可穿戴設(shè)備市場還是在啟動培養(yǎng)階段，例如功能的豐富性，結(jié)果實(shí)用性及服務(wù)性特征等，都需要進(jìn)一步的完善；很多功能及性能實(shí)現(xiàn)還需要進(jìn)一步的技術(shù)突破，例如功耗、體積以及使用的方便性等；開發(fā)可穿戴設(shè)備的公司越來越多，幾乎所有的品牌手機(jī)廠商都在進(jìn)行著某種形式的投資及開發(fā)；越來越多的IDH(獨(dú)立設(shè)計(jì)公司)參與到相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，尤其是在軟件數(shù)據(jù)處理方面。

ADI公司亞太區(qū)醫(yī)療行業(yè)市場經(jīng)理王勝

從可穿戴設(shè)備發(fā)展趨勢角度來看，以下幾點(diǎn)可能會被業(yè)內(nèi)關(guān)注：宏觀來看必將是電子設(shè)備市場的新的增長點(diǎn)；持續(xù)不斷的增加并完善健康保健類功能，甚至某些性能到達(dá)或通過醫(yī)療級的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；高集成度、小體積、低功耗以及低成本的傳感器硬件在將來的可穿戴設(shè)備開發(fā)中會成為越發(fā)關(guān)鍵的要素；后臺數(shù)據(jù)的分析處理及反饋到終端用戶將是維持用戶持續(xù)使用的必經(jīng)之路。
“ADI作為在傳感器及模擬混合信號的領(lǐng)先供應(yīng)商，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域也會緊跟客戶及市場發(fā)展趨勢，并用專門的醫(yī)療保健團(tuán)隊(duì)提供系統(tǒng)級包括軟件在內(nèi)的全方位的方案。除此以外，在迎合可穿戴設(shè)備中電源管理特定的低功耗、小體積及低成本的要求，例如ADP150、ADP160等，在可穿戴市場都有很好的表現(xiàn)。”王勝表示。
關(guān)于ADP16x系列而言，ADP160/ADP161/ADP162/ADP163均為超低靜態(tài)電流、低壓差線性穩(wěn)壓器，工作電壓為2.2V～5.5V，輸出電流最高可達(dá)150mA。在150mA負(fù)載下壓差僅為195mV，不僅可提高效率，而且能使器件在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。
ADP16x 經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，利用1μF±30%小陶瓷輸入和輸出電容便可穩(wěn)定工作，適合高性能、空間受限應(yīng)用的要求。ADP160可提供1.2V～4.2V范圍內(nèi)的15種固定輸出電壓選項(xiàng)(圖2)。ADP160/ADP161還包括一個開關(guān)電阻，當(dāng)LDO禁用時，該電阻自動使輸出放電。ADP162不包括輸出放電功能，其余與ADP160完全相同。ADP161和ADP163可用作可調(diào)輸出電壓穩(wěn)壓器，僅提供5引腳TSOT封裝。ADP163不包括輸出放電功能，其余與ADP161完全相同。短路和熱過載保護(hù)電路可以防止器件在不利條件下受損。

圖2：ADP160內(nèi)部框圖—固定輸出，帶輸出放電功能

ADP160 和ADP162 提供5 引腳TSOT和4引腳、0.5mm間距WLCSP兩種小型封裝，是適合各種便攜式供電應(yīng)用的最小尺寸解決方案，并可應(yīng)用在移動電話、數(shù)碼相機(jī)和音頻設(shè)備、便攜式和電池供電設(shè)備、后置DC-DC調(diào)節(jié)以及便攜式醫(yī)療設(shè)備當(dāng)中。
另外，ADP150 是一款超低噪聲(9μV)、低壓差線性調(diào)節(jié)器，采用2.2V至5.5V電源供電，最大輸出電流為150mA。驅(qū)動150 mA負(fù)載時壓差僅為105 mV，這種低壓差特性不僅可提高效率，而且能使器件在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。ADP150采用新穎的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超低噪聲性能，而無需額外的噪聲旁路電容，非常適合對噪聲敏感的模擬和RF應(yīng)用。ADP150在提供超低噪聲性能的同時，并不影響其電源抑制(PSRR)或線路與負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。它實(shí)現(xiàn)了超低噪聲與低靜態(tài)功耗的最佳組合，使便攜式應(yīng)用的電池使用時間可達(dá)到最長。
ADP150 經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，在1 μF±30%小陶瓷輸入和輸出電容情況下便可穩(wěn)定工作，適合高性能、空間受限應(yīng)用的要求。它可提供1.8V～3.3V范圍內(nèi)的14種固定輸出電壓選項(xiàng)。短路和熱過載保護(hù)電路可以防止器件在不利條件下受損。ADP150提供5引腳TSOT和4引腳、0.4mm間距WLCSP兩種小型封裝，是適合各種便攜式供電應(yīng)用的業(yè)界最小尺寸解決方案。該款產(chǎn)品可應(yīng)用在移動電話、數(shù)碼相機(jī)和音頻設(shè)備、便攜式和電池供電設(shè)備、后置DC-DC調(diào)節(jié)、便攜式醫(yī)療設(shè)備以及RF、PLL、VCO和時鐘電源當(dāng)中。




       
村田：手機(jī)用微型DC/DC轉(zhuǎn)換器沿用到可穿戴設(shè)備中
日前，村田制作所(Murata)在展會推出了可穿戴設(shè)備的整體解決方案。展出的可穿戴設(shè)備(Murata概念手環(huán)，圖3)集成了薄膜型溫度傳感器(用于檢測體表的溫度)、光傳感器(用于檢測心率)以及MEMS氣壓傳感器(檢測氣壓，進(jìn)而檢測高度)三種傳感器。同時，它還集成了藍(lán)牙智能模塊、微型DC-DC轉(zhuǎn)換器，以及片狀多層陶瓷電容。對于該產(chǎn)品的續(xù)航能力，村田工程師介紹說：“產(chǎn)品的續(xù)航時間取決于具體應(yīng)用設(shè)計(jì)。這款展示方案采用CR2032鋰錳扣式電池，若所有功能全開，可以工作3～4天時間?！?br /> 其中，該設(shè)備采用的微型DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊系列集成了功率IC、功率電感，以及輸入和輸出電容(圖4)。該系列模塊尺寸為2.5mm×2.0mm×1.1/1.2mm，其特點(diǎn)是體積非常小，抗EMI干擾能力強(qiáng)。該系列輸出電壓為1.0V～3.3V，輸入電壓為2.3V～5.5V，最大負(fù)載電流為600mA。它總共有3大類：降壓、升降壓和升壓。

圖3：Murata概念手環(huán)采用了其微型DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

圖4：Murata微型DC-DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

該電源管理模塊系列可用于智能手機(jī)、平板電腦、光模塊、固態(tài)硬盤以及可穿戴設(shè)計(jì)，其最初就是針對智能手機(jī)而開發(fā)的。但是由于其具有體積小的特點(diǎn)，可以沿用到可穿戴應(yīng)用中。村田工程師認(rèn)為，可穿戴設(shè)備對電源的要求包括：體積小、效率高和EMI特性好(因?yàn)槌叽缧。嗷ジ蓴_的可能性會變大)。對于可穿戴設(shè)備往后發(fā)展功能會更多的問題，他指出，對于集成型電源模塊來說，由于用電方式不一樣(電壓不同)，就可能需要多路輸出。村田針對移動設(shè)備有一定經(jīng)驗(yàn)，有這樣的多路產(chǎn)品。今后村田也將憑借這樣的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)一些針對可穿戴應(yīng)用的電源產(chǎn)品。
該公司另一位工程師補(bǔ)充說：“現(xiàn)在一般的可穿戴產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)都采用一顆電源管理芯片(PMIC)放在中間，旁邊配上升壓、降壓電路的方式來實(shí)現(xiàn)。這會造成電路板的面積較大，EMI方面需要做一定調(diào)試。這款DC-DC轉(zhuǎn)換器的主芯片和元器件都是通過層疊方式實(shí)現(xiàn)，這就能夠極大降低占板面積。而且芯片在做好后就已經(jīng)做了調(diào)試匹配，這就能夠提高效率、節(jié)省空間。該系列模塊效率從85%～96%都有，具體取決于客戶需求，比如輸出電壓調(diào)整等?！?br />