如何解決可穿戴設(shè)備的高效與散熱問題

據(jù)Gartner 發(fā)布的全球可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)告顯示，2018 年全球可穿戴設(shè)備出貨量達(dá)到 1.79 億部，較 2017 年的 1.41 億部同比增長(zhǎng) 27.1%。在未來，新興市場(chǎng)可穿戴設(shè)備的出貨量將進(jìn)一步增長(zhǎng)，智能可穿戴設(shè)備未來五年復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到 26.3%，預(yù)計(jì)到 2022 年發(fā)貨量將躍升至 4.53 億部。

無(wú)線充電——可穿戴設(shè)備應(yīng)用最廣泛的充電技術(shù)

大多數(shù)市場(chǎng)數(shù)據(jù)都表明，設(shè)備兩次充電之間的可用時(shí)間長(zhǎng)度是影響消費(fèi)者便捷式設(shè)備購(gòu)買選擇的關(guān)鍵因素。由于對(duì)于連續(xù)使用的需要，可穿戴設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間需要超出消費(fèi)者的期望。這意味著除了集成更多傳感器和功能，可穿戴設(shè)備還需要能在兩次充電之間使用更長(zhǎng)的時(shí)間。

達(dá)到此目的有兩種方法，其一是補(bǔ)充電池電量，其二則是尋找可穿戴設(shè)備充電的創(chuàng)新途徑，如能量采集或無(wú)線充電。截止目前，可穿戴設(shè)備最廣泛使用的充電技術(shù)就是無(wú)線充電技術(shù)。無(wú)線充電技術(shù)擁有眾多優(yōu)勢(shì)，例如，它使易于發(fā)生故障的插頭成為多余?？梢詫⒃O(shè)備內(nèi)置在具備防潮能力的外殼中。用戶也無(wú)須忍受插入電纜的麻煩。

具有原邊控制和接收器的感應(yīng)式功率傳輸概念

另一方面，無(wú)線充電技術(shù)的種類及標(biāo)準(zhǔn)多樣。在可穿戴市場(chǎng)興起之前，幾乎每家電源管理廠商的設(shè)備都處于各自為戰(zhàn)的狀態(tài)下，無(wú)法通用。不過近年來隨著谷歌、微軟、蘋果等公司相繼大舉進(jìn)入可穿戴市場(chǎng)，無(wú)線充電技術(shù)的通用性得到了很大的改觀。各大電源管理的器件及設(shè)備廠商也都拿出了符合無(wú)線電源協(xié)會(huì)規(guī)定的互操作性標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。事實(shí)上，ADI公司就為可穿戴設(shè)備提供了廣泛的電源管理組合，包括無(wú)線充電的可穿戴設(shè)備電源解決方案。

如何解決高效與散熱難題？這里有DHC方法論

LTC4120，這是一款無(wú)線功率接收器和電池充電器。該器件集成了已獲專利的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制(Dynamic Harmonization Control，簡(jiǎn)稱DHC)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效率非接觸式充電，而且在接收器中不會(huì)產(chǎn)生熱量或電氣負(fù)擔(dān)過重問題。采用這種技術(shù)，可以通過長(zhǎng)達(dá)1.2cm 的距離傳送高達(dá)2W功率。然而，對(duì)單節(jié)鋰離子(Li-Ion)電池而言，最高充電電壓為4.2V，最大充電電流為400mA，這將使DHC技術(shù)的傳送功率限制到1.7W。類似地，2W最大功率將兩節(jié)鋰離子電池(8.4V最高充電電壓) 的充電電流限制到240mA。

功率、效率、距離和尺寸的大小決定了系統(tǒng)性能，因此，基于LTC4120的無(wú)線電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)使用幾種可選發(fā)送器的其中一款時(shí)，通過長(zhǎng)達(dá)1.2cm的距離在電池端接收高達(dá)2W的功率。視所采用方法和組件的不同而不同，效率計(jì)算結(jié)果會(huì)有很大變化。在基于LTC4120的系統(tǒng)中，一般情況下，電池會(huì)接收45%~55% 饋送到發(fā)送器的DC輸入功率。

LTC4120中嵌入的DHC調(diào)諧技術(shù)與其他無(wú)線電源解決方案相比有一些顯著優(yōu)勢(shì)。為了響應(yīng)環(huán)境和負(fù)載變化，DHC動(dòng)態(tài)改變接收器上諧振儲(chǔ)能電路的諧振頻率。DHC在允許更長(zhǎng)傳送距離的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了更高的功率傳送效率，從而使接收器尺寸能夠更小。顯然，DHC解決了所有無(wú)線電源系統(tǒng)的基本問題。所有系統(tǒng)都必須設(shè)計(jì)為通過給定最長(zhǎng)傳送距離接收一定量的功率，所有系統(tǒng)也都必須設(shè)計(jì)為在最短傳送距離時(shí)能夠承受無(wú)負(fù)載情況而不被損壞。其他同類解決方案用復(fù)雜的數(shù)字通信系統(tǒng)解決這一問題，但增加了復(fù)雜性和成本，限制了功率傳送距離，而基于LTC4120的無(wú)線電源系統(tǒng)用DHC技術(shù)簡(jiǎn)便地解決了這一問題。

探尋良好保護(hù)、緊湊的無(wú)線充電器接收器解決方案——

繼LTC4120之后，ADI又發(fā)布了多款新型無(wú)線充電器，其中包括LTC4126，該芯片是帶有1.2 V無(wú)電感DC-DC轉(zhuǎn)換器的全功能7.5 mA 無(wú)線鋰離子電池充電器，設(shè)計(jì)用于助聽器、無(wú)線耳機(jī)和其他需要無(wú)線充電的空間受限可穿戴產(chǎn)品。與基于 LTC6990的ZVS 單晶體管發(fā)射器組合使用，可獲得完整的無(wú)線充電解決方案。

LTC4126的設(shè)計(jì)高度集成，只需幾個(gè)外部組件即可創(chuàng)建完整的無(wú)線充電器接收器解決方案，可將整個(gè)設(shè)計(jì)安裝在助聽器或耳塞的內(nèi)部（直徑為6 mm 的應(yīng)用板）。

具有集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器和充電器狀態(tài)輸出的完整6 mm直徑無(wú)線電池充電器接收器

LTC4126充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器（充電泵DC-DC轉(zhuǎn)換器具有三種操作模式，具體取決于電池電壓，以提高整體效率）具有一個(gè)無(wú)線功率控制器，使其能夠從發(fā)射線圈（LTC6990）產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)無(wú)線接收功率。無(wú)線功率控制器將接收器端諧振電路的交流電壓整流成VCC引腳的直流電壓。此直流電壓饋入線性充電器，線性充電器再調(diào)節(jié)對(duì)電池的充電。

如果LTC4126接收的能量超出所需能量，無(wú)線功率控制器通過將接收器諧振電路分流接地來調(diào)節(jié)線性充電器的輸入VCC。這樣，線性充電器將高效運(yùn)行，因?yàn)槠漭斎胝帽３衷陔姵仉妷篤BAT之上。接合分流電路時(shí)，諧振電路也會(huì)接收較少的功率，因?yàn)橹C振頻率與發(fā)射器頻率失調(diào)。

同時(shí)LTC4126中的集成式恒流(CC)/恒壓(CV)線性鋰離子電池充電器可通過一組完整的保護(hù)功能確保充電周期正常運(yùn)行，包括安全計(jì)時(shí)器的自動(dòng)充電和自動(dòng)終止、不良電池檢測(cè)和超出溫度范圍充電暫停功能。LTC4126包括可傳遞至系統(tǒng)微控制器的充電器狀態(tài)和電池電壓電平信號(hào)。

下圖為使用LTC6990作為振蕩器來驅(qū)動(dòng)低功率晶體管的簡(jiǎn)單諧振電路。為實(shí)現(xiàn)ZVS操作，發(fā)射器諧振回路頻率設(shè)置為振蕩頻率的1.29倍。通過這種方式，大幅減少了開關(guān)損耗，并提高了整體無(wú)線充電效率。此發(fā)射器只需幾個(gè)組件，并可安裝在小型外殼中。

具有單晶體管ZVS發(fā)射器和LTC4126接收器的完整無(wú)線充電解決方案

結(jié)論

事實(shí)上，可穿戴設(shè)備的發(fā)展才剛剛起步，業(yè)界有許多的創(chuàng)新，遍及硬件設(shè)計(jì)和軟件體驗(yàn)。目前市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)雖然主要在消費(fèi)市場(chǎng)，但在商業(yè)與工業(yè)應(yīng)用中，可穿戴設(shè)備在例如瓦斯檢測(cè)、輔助物流管理等許多地方也已經(jīng)開始嶄露頭角。可以預(yù)見的是，未來可穿戴設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的進(jìn)一步結(jié)合將具有非常大的發(fā)展?jié)摿?，而無(wú)線充電解決方案性能的繼續(xù)優(yōu)化將為便攜產(chǎn)品增加更多的市場(chǎng)和應(yīng)用潛能。