關(guān)于可穿戴設(shè)備的性能分析和介紹

薄、小、輕是對可穿戴設(shè)備的基本要求，也解釋了為什么可穿戴技術(shù)的短板是電池續(xù)航時間。傳統(tǒng)符合要求的電池有鋰電池紐扣電池，這種電池對傳感器和其他的小功率穿戴設(shè)備來說足夠了，但它很難跟上越來越多的可穿戴設(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。

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 )

對這些類型的設(shè)備來說，提高電池續(xù)航是獲取市場份額的關(guān)鍵，這將是一個龐大的市場，預(yù)測將在 2018年達(dá)到 3.8 億個單位。能量收集，無線充電，電池管理，電源管理和低消耗解決方案都是在可穿戴設(shè)計中提高續(xù)航的可選擇方案。本文章將重點(diǎn)介紹有關(guān)這些領(lǐng)域的最新技術(shù)，來幫助可穿戴設(shè)備的設(shè)計師們創(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，或者來自環(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，但至少能延長工作時間?！俺凸母吣芰坎杉芾?a target="_blank">集成電路”如 bq25570，也包括一個提供能第二種電力運(yùn)營系統(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 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微型解決方案幾乎相當(dāng)于現(xiàn)存電源方案的一半，同時它又能在成本敏感的可穿戴市場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，也包括延長續(xù)航時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 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”50μALDO，+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。

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

兼容 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的無線充電方案

無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 提供了一個無線充電方案的前沿設(shè)計，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的 bq25100 單電池鋰電池線性充電器，和一個 Qi compliant 無線電源接收器來滿足整個 Qicompliant 無線充電方案。Qi 是一個無線充電設(shè)備的國際互通標(biāo)準(zhǔn);任何 Qi 認(rèn)證的無線電源接收設(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，而且體積很小，僅為 5x15mm2。

對一個更小的可穿戴設(shè)備無線充電接收器方案，TI 有 TIDA-00329 參考設(shè)計。它只有 5.23mm x 5.48mm合并了你 bq51003 Qi compliant 無線電源接收器或 bq51050B/51B Qi compliant 無線充電。這種微型設(shè)計能提供高達(dá) 2W 的電量。

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

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

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

可穿戴設(shè)備中的電源管理技術(shù)

超低功耗的電源轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備最佳電源續(xù)航的關(guān)鍵。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，低漏失電流(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 升降壓轉(zhuǎn)換模塊，能提供 95%的轉(zhuǎn)換率，在工作時僅消耗360nA lq，而安靜時更僅為 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 升降壓轉(zhuǎn)換器模塊

升壓轉(zhuǎn)換通常不如降壓轉(zhuǎn)換有效率。不過，在各種系統(tǒng)電路中對電池升壓很常見，尤其是顯示電路，Maxim 有新 1A 升壓轉(zhuǎn)換器，MAX8627 能使單電池鋰電池的輸出電壓從 3V 升高到 5V，并可實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%的轉(zhuǎn)換率而只消耗 20μA lq。Silicon Labs 現(xiàn)在有 TS33x 升壓轉(zhuǎn)換器，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，當(dāng)試圖延長可穿戴設(shè)備電池續(xù)航時系統(tǒng)中的所有東西都需要考慮到。

一個常見的省電的方式就是關(guān)閉一些高耗電的功能，如一些處理和顯示功能，例如智能手表、平板或電腦。Bluetooth? Smart 或者叫低耗藍(lán)牙，已經(jīng)是大多數(shù)新智能手表中的標(biāo)配，因此是可穿戴設(shè)備無線交流方式標(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“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 3 ATM 防水不銹鋼外殼，皮帶表，水晶鏡面，震動電機(jī)，三軸加速計和環(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 手表平臺已為低功耗優(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 對可穿戴設(shè)備的電源管理很重要，高效的 MCU 能加速導(dǎo)入數(shù)據(jù)并迅速進(jìn)入睡眠狀態(tài)，保存電量。低耗能睡眠模式能有效減少電源消耗?？纱┐髟O(shè)備的設(shè)計者比之前有更多 MCU 的選擇，32 位比 16位更有成本競爭力。為成本和功率敏感的 MCU 優(yōu)化的 ARM的 Cortex-M 系列 32 位處理器核心已經(jīng)能預(yù)見到在可穿戴市場的成功。從超低功耗的 Cortex-M0 和 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?；?ARM-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)備中無數(shù)傳感器的電源管理。傳感器技術(shù)是加速可穿戴市場發(fā)展的催化劑。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調(diào)理的可穿戴傳感器，它的QA4NP 低功耗四通道運(yùn)算放大器，每通道只消耗 580nA(在 1.8V 的電源供給下)。

以上只是對低功耗電源管理技術(shù)的管中窺豹，和產(chǎn)品協(xié)作來設(shè)計能滿足可穿戴市場超低功耗電源系統(tǒng)是激發(fā)這個市場的關(guān)鍵，有必要認(rèn)識到超低功耗設(shè)備不僅對穿戴設(shè)備很重要，新的低耗技術(shù)對那些依賴電池供電和能量收集供電的應(yīng)用也很重要。