可穿戴設(shè)備電池壽命長的秘訣：選擇合適的負(fù)載開關(guān)

可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)者——包括智能手表、健身追蹤器、心臟監(jiān)測器和許多其他設(shè)備——一直在努力尋找延長電池壽命的方法，以提高用戶的便利性。然而，盡管在設(shè)計(jì)和功能方面取得了所有進(jìn)步，但可穿戴設(shè)備通常需要頻繁充電。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)可穿戴設(shè)備都使用為平板電腦等大型設(shè)備設(shè)計(jì)的相同負(fù)載開關(guān)，這些設(shè)備的電池容量比可穿戴設(shè)備大得多，而且電池耗盡的漏電流和導(dǎo)通電阻不太重要。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，新型超低漏電流負(fù)載開關(guān)正在為可穿戴設(shè)備的高效電源管理設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。通過使用先進(jìn)的負(fù)載開關(guān)，可以顯著提高效率。這些節(jié)省將轉(zhuǎn)化為更小的電池或更長的電池壽命，并使可穿戴產(chǎn)品在競爭激烈的市場中脫穎而出。

可穿戴設(shè)備中的電池效率

在可穿戴產(chǎn)品中，負(fù)載開關(guān)以最小的占用空間和幾乎為零的漏電流和/或?qū)娮鑸?zhí)行基本的電池管理任務(wù)。然而，用于筆記本電腦和平板電腦的 IC 負(fù)載開關(guān)根本無法滿足這些需求。

一個(gè)典型的可穿戴應(yīng)用示例(圖 1)包括多個(gè)環(huán)境傳感器、GPS、顯示器、內(nèi)存、無線連接和一個(gè)快速、功能豐富的微控制器 (MCU)。為了延長電池壽命，該電路包括多個(gè)負(fù)載開關(guān)，用于按順序打開設(shè)備或?qū)⒃O(shè)備置于“睡眠”模式并根據(jù)需要關(guān)閉功能。

在這方面，框圖中顯示的示例與典型的手持平板電腦或移動(dòng)電話的示例沒有本質(zhì)區(qū)別。不同之處在于這些設(shè)備的尺寸和性能。

圖 1：新型高性能負(fù)載開關(guān)可以延長可穿戴電池的使用壽命數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。

可穿戴設(shè)備中使用的許多功能設(shè)備(包括連接、傳感和 MCU)都帶有省電模式，這些模式為開發(fā)人員提供了一種低功耗控制的錯(cuò)誤感覺。表 1 顯示了典型的 IC 和模塊組合消耗的低功耗模式電流示例。

表 1：典型的低端可穿戴功能及其消耗的功率。

表 2 描述了高性能應(yīng)用所需的其他功能的電流消耗。再加上 MCU/APU 等設(shè)備，待機(jī)電流真的可以加起來。所有必需的功能都可以將設(shè)備變成“電源怪物”。

表 2：不提供所需低待機(jī)電流的典型器件。

選擇負(fù)載開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)者需要考慮負(fù)載開關(guān)的選擇標(biāo)準(zhǔn)。以下是比較可用設(shè)備性能的示例。

大部分打開與大部分關(guān)閉取決于子系統(tǒng)是打開還是關(guān)閉，負(fù)載開關(guān)的不同參數(shù)變得很重要。大多數(shù)開關(guān)都針對(duì)一種情況進(jìn)行了優(yōu)化，但沒有針對(duì)兩種情況進(jìn)行優(yōu)化。

在“大部分關(guān)閉”子系統(tǒng)的情況下，電流待機(jī) I SD (待機(jī)電流泄漏)成為需要考慮的最重要參數(shù)。市場上最好的器件遠(yuǎn)低于 1 μA。表 3 包括符合此標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。 該表標(biāo)志著顯著的改進(jìn)，顯示先進(jìn)的低泄漏電流負(fù)載開關(guān) GLF71301 器件可在 7 nA 時(shí)提供一流的 I SD 。

表 3：與競爭器件相比，GLF 負(fù)載開關(guān)的 I Q 和 I SD性能。

如果子系統(tǒng)“大部分開啟”，則開關(guān)的開啟電阻 R ON變得至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在最大工作范圍內(nèi)尋找 小于 100 mΩ的 R ON 。表 4 提供了一些提供最低 R ON的器件的樣本。如圖所示，GLF71321 負(fù)載開關(guān)提供最佳 R ON 性能(5.5 V 時(shí)為 17 mΩ，3.3 V 時(shí)為 21 mΩ)。

表 4：與競爭器件相比，GLF 負(fù)載開關(guān)的 R ON性能。

電壓范圍大多數(shù)可穿戴設(shè)備都有幾種不同的電壓軌，從 CPU 內(nèi)核的 1.1 V 到更高電壓外設(shè)的 5.0 V。具有更廣泛電壓軌選項(xiàng)的負(fù)載開關(guān)可以幫助管理庫存并在整個(gè)過程中使用。表 3 和表 4中列出的所有設(shè)備均 符合此標(biāo)準(zhǔn)。

從這些表格中提供的信息可以清楚地看出，I SD 和 R ON 都會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生重大影響。另一個(gè)需要考慮的因素是器件的靜態(tài)電流 (I Q )。這是設(shè)備在“ON”狀態(tài)時(shí)消耗的“開銷”電流。對(duì)這兩張表的快速回顧表明，GLF 設(shè)備比其他設(shè)備低數(shù)百倍。

可穿戴設(shè)備的未來

預(yù)計(jì)到 2025 年，將有超過 1 萬億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行;其中，很大一部分將屬于可穿戴產(chǎn)品。消費(fèi)者將繼續(xù)期望可穿戴設(shè)備需要更少的充電頻率。反過來，這將使應(yīng)用工程師有必要盡可能采用電池效率最高的設(shè)計(jì)技術(shù)。

選擇最新的超低漏電流負(fù)載開關(guān)為設(shè)計(jì)人員提供了一種提高可穿戴設(shè)備電池壽命的有效方法。與更適合大型便攜式電子設(shè)備的傳統(tǒng)設(shè)備不同，這些經(jīng)過優(yōu)化的可穿戴負(fù)載開關(guān)可以輕松地將充電之間的操作時(shí)間從幾天延長到幾周。

　　審核編輯：湯梓紅