具超低靜態(tài)電流的 IC 有效地推動(dòng)智能可穿戴式設(shè)備革命

背景

從谷歌眼鏡 (Google Glass) 到先進(jìn)的健身活動(dòng)追蹤器、頭戴式成像顯示器，再到血壓監(jiān)測(cè)儀，可穿戴式設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入了軍事、工業(yè)和高端消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)。此類設(shè)備正在迅速地改進(jìn)并且變得更加“聰明”。我們可以把“可穿戴式產(chǎn)品”定義為一種用戶長(zhǎng)時(shí)間穿著并因此而在某種程度上改善用戶體驗(yàn)的產(chǎn)品。智能型可穿戴式產(chǎn)品則給設(shè)備增添了連接和實(shí)施獨(dú)立處理的能力。據(jù)估計(jì)，可穿戴式設(shè)備市場(chǎng)的規(guī)模到 2018 年將增長(zhǎng)到 1.3 億部 (資料來(lái)源：PwC，2014 年 10 月)。可穿戴式設(shè)備分為 5 個(gè)應(yīng)用子類別：健身 / 健康 (活動(dòng)監(jiān)測(cè)儀、健身腕帶、計(jì)步器和心率監(jiān)測(cè)儀)、保健 / 醫(yī)療 (脈搏血氧計(jì)、助聽(tīng)器和血壓監(jiān)測(cè)儀)、信息娛樂(lè) (智能眼鏡 / 護(hù)目鏡、智能手表和成像裝置)、軍事 (頭戴式顯示器、外骨骼和智能服裝) 和工業(yè) (體佩式終端) [資料來(lái)源：IHS Electronics and Media，2013 年]。推動(dòng)這些類別之普及率逐步提高的市場(chǎng)因素各不相同。在健康和醫(yī)療區(qū)段中，其包括：預(yù)期壽命不斷延長(zhǎng)、渴望延長(zhǎng)健康的生活并減少住院時(shí)間。對(duì)于軍事領(lǐng)域，其為改善態(tài)勢(shì)感知、行軍地圖 / 路線、作戰(zhàn)效能和挽救生命的期盼。對(duì)于工業(yè)范疇，主要的推動(dòng)因素是改善生產(chǎn)線效率和追蹤能力。最后，對(duì)于信息娛樂(lè)區(qū)段，這種推動(dòng)力為尖端成像和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)導(dǎo)致的爆炸性游戲市場(chǎng)增長(zhǎng)，以及越來(lái)越多能夠與智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接以成為“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT) 之一部分的設(shè)備。

智能型可穿戴式設(shè)備的架構(gòu)及存在的問(wèn)題

那么，智能型可穿戴式設(shè)備的“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”是怎么樣的呢? 把它想象成一種微型嵌入式系統(tǒng)。確切的分區(qū)顯然將取決于設(shè)備本身。不過(guò)一般來(lái)說(shuō)，智能型可穿戴式設(shè)備的核心架構(gòu)是下列部分的組合：一個(gè)微處理器或微控制器或類似的 IC、某種類型的微機(jī)電傳感器 (MEMS)、小型機(jī)械執(zhí)行器、全球定位系統(tǒng) (GPS) IC、藍(lán)牙 / 蜂窩連接、成像電子線路、LED、計(jì)算資源、電池或電池組、以及支持電子線路。

可穿戴式裝置的首要目標(biāo)是擁有緊湊外形和低重量以實(shí)現(xiàn)可穿著性 / 舒適性，并提供超低的能耗以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間。可穿戴式設(shè)備無(wú)疑是“低發(fā)熱量”(cool) 產(chǎn)品，不過(guò)，在以極小的吸收電流給電池充電的同時(shí)為其進(jìn)行高效和準(zhǔn)確的供電則完全是另一回事。與采用 IC 為智能型可穿戴式設(shè)備供電有關(guān)的一些主要問(wèn)題如下：

l在電池供電型設(shè)備中，IC 的低電流消耗對(duì)于延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間是至關(guān)重要。理想的選擇是微功率、甚至毫微功率轉(zhuǎn)換。

l有些可穿戴式設(shè)備架構(gòu)采用的是多電池方案，例如：兩節(jié)鋰 (8.4V) 電池，而不是單節(jié)鋰電池 (4.2V)。這增加了電池容量并提供了更長(zhǎng)的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。然而，這需要使用一個(gè)較高電壓的 IC。

lMEMS 傳感器需要從安靜的穩(wěn)壓電源供電。處于工作狀態(tài)的執(zhí)行器也可能受益。LDO 因其具有低輸出紋波而非常適用于此類電源軌。

l藍(lán)牙 / RF 連接系統(tǒng)電源軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或者 (由于輸出電流可能很高) LDO 后置開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是一種不錯(cuò)的選擇。

l處理器電源 (可穿戴式設(shè)備的“大腦”)。例如，TI OMAP、ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片或 FPGA 具有多種低電壓軌，其范圍從低電平至高電流。它們可以由 LDO 或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)供電。

l電池需要看護(hù)和饋電，以避免因過(guò)度充電而導(dǎo)致電池循環(huán)壽命縮短。采用內(nèi)置充電終止算法的準(zhǔn)確電池充電器可確保較長(zhǎng)的電池壽命。

l緊湊的尺寸和低重量使得用戶在使用可穿戴式設(shè)備時(shí)感覺(jué)更加舒服。緊湊封裝中的 IC 可幫助實(shí)現(xiàn)小巧的解決方案占板面積，從而使設(shè)備擁有小外形。

l功能豐富的可穿戴式產(chǎn)品意味著需要很多的系統(tǒng)電源軌。多輸出穩(wěn)壓器或電源管理集成電路 (PMIC) 可以很好地滿足這種要求。最后，內(nèi)置電池充電器的緊湊型 IC 可提供較高的集成度和靈活性。

具超低靜態(tài)電流的 IC 解決方案

很明顯，可滿足應(yīng)用需求并解決已討論之相關(guān)問(wèn)題的 IC 解決方案應(yīng)具備以下諸多特性：

l在工作模式和停機(jī)模式中均提供超低靜態(tài)電流

l寬輸入電壓范圍以適應(yīng)多種電源

l能夠有效地為多個(gè)系統(tǒng)電壓軌供電

l準(zhǔn)確的電池充電電壓以防止發(fā)生過(guò)度充電

l能夠?yàn)槌Ｒ?jiàn)的電池化學(xué)組成 (例如：鋰) 充電

l利用內(nèi)置充電終止算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和自主型充電操作 (無(wú)需微控制器)

l占板面積小巧的扁平解決方案

l可提供先進(jìn)封裝以改善熱性能和空間效率

幸運(yùn)的是，凌力爾特近期推出的超低 Iq LTC3388/-x 降壓型穩(wěn)壓器系列及其 LTC3553 組合式降壓穩(wěn)壓器和單節(jié)鋰電池充電器 PMIC 已經(jīng)擁有了大多數(shù)上述特性。

LTC3388 是一款超低靜態(tài)電流同步降壓型轉(zhuǎn)換器，該器件可從 2.7V 至 20V 輸入電源提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流。LTC3388 的無(wú)負(fù)載工作電流僅為 720nA，因而使其非常適合于眾多的電池供電型和低靜態(tài)功率應(yīng)用，包括 “保持運(yùn)作” 電源和可穿戴式產(chǎn)品。LTC3388 運(yùn)用遲滯同步整流以在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)優(yōu)化效率。它可為 15μA 至 50mA 的負(fù)載提供超過(guò) 90% 的效率，且在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)僅需 720nA 無(wú)負(fù)載靜態(tài)電流，從而延長(zhǎng)了電池壽命。3mm x 3mm DFN 封裝 (或MSOP-10) 只要與 5 個(gè)外部組件相結(jié)合就能為多種低功率應(yīng)用提供一個(gè)非常簡(jiǎn)單和占板面積緊湊的解決方案。圖 1 示出了典型的 LTC3388 應(yīng)用電路。

圖 1：LTC3388-1/-3 典型應(yīng)用電路

為了實(shí)現(xiàn)更高的集成度 —— 采用 PMIC

LTC3553 是一款微功率多功能 PMIC 解決方案，其適用于基于鋰離子 / 鋰聚合物電池的便攜式應(yīng)用。LTC3553 在緊湊型 3mm x 3mm QFN 封裝中集成了一個(gè) USB 兼容的線性電源通路 (PowerPath™) 控制管理器、一個(gè)獨(dú)立的電池充電器、一個(gè) 200mA 高效率同步降壓型穩(wěn)壓器、一個(gè) 150mA 低壓差 LDO 和按鈕控制器，其典型應(yīng)用電路請(qǐng)參閱圖 2。對(duì)于那些在備用模式中以低電流運(yùn)作的應(yīng)用，該 IC 的引腳可選備用模式把電池漏電流降至僅 12μA 左右，同時(shí)保持所有輸出處于穩(wěn)定狀態(tài)，詳見(jiàn)圖 3 所示的曲線圖。LTC3553 非常適用于個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備 (PND)、媒體播放器、便攜式醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備、以及其他采用小容量電池并具低功耗的小電池供電型便攜式設(shè)備應(yīng)用。

圖 2：LTC3553 簡(jiǎn)化應(yīng)用原理圖

圖 3：LTC3553 電池漏電流運(yùn)作

結(jié)論

目前，智能型可穿戴式設(shè)備市場(chǎng)呈爆炸性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其包括了多種面向健康和健身、醫(yī)療、信息娛樂(lè)、軍事和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品。智能型可穿戴式設(shè)備的核心架構(gòu)雖然取決于產(chǎn)品類型，但是基本上可歸結(jié)為一個(gè)微控制器、MEMS 傳感器、無(wú)線連接、電池和支持電子線路?？梢宰C明，為低電流可穿戴式設(shè)備供電是非常具有挑戰(zhàn)性。不過(guò)，凌力爾特提供了一個(gè)規(guī)模龐大的領(lǐng)先產(chǎn)品庫(kù)，它們能夠在此類低功率級(jí)別上實(shí)現(xiàn)非常高的性能。超低 Iq LTC3388 能量收集降壓型穩(wěn)壓器以及旨在實(shí)現(xiàn)更高集成度的 LTC3553 鋰電池充電器和降壓穩(wěn)壓器 / LDO 組合式 PMIC 等器件能夠改善許多未來(lái)可穿戴式設(shè)備的工作壽命和總體性能。