可穿戴系統(tǒng)電源管理的優(yōu)化策略

今天，可穿戴設備不再只是一些小玩具了，它還包括許多醫(yī)療領域使用的健康監(jiān)測工具。影響可穿戴設備市場普及的障礙在于其能源自主性：為了加強“可穿戴”的概念，必須采用小型電池，并且進一步改善其能效和電源管理。

可穿戴設備市場的增長日益強勁，預計未來幾年內(nèi)銷售量將達6億，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的崛起和即將到來的工業(yè)4.0，未來的發(fā)展越來越樂觀。今天，可穿戴設備不再只是一些小玩具了，它還包括許多醫(yī)療領域使用的健康監(jiān)測工具。

影響可穿戴設備市場普及的障礙在于其能源自主性：為了加強“可穿戴”的概念，必須采用小型電池，并且進一步改善其能效和電源管理。

高度整合的電子設備由于提供新的控制功能，催生了許多應用和多功能的使用場景，進一步改善我們的生活環(huán)境。技術發(fā)展的腳步非?？焖伲纱┐髟O備提供的可能性已經(jīng)涉及醫(yī)療領域。健康監(jiān)測用的可穿戴設備能夠嚴格，且實時地控制重要的癥狀，從而為醫(yī)療專家提供通過云端存取監(jiān)測數(shù)據(jù)的可能性。

一般可穿戴設備管理的信息量、可視化LED接口以及低功耗藍牙(BLE)通信協(xié)議都需要高效率的電源管理解決方案，才能實現(xiàn)更長使用壽命的產(chǎn)品，同時使用能量采集技術提供充電的新機會?？纱┐髟O備已經(jīng)證實是使用能量采集技術的沃土，人們可以利用穿戴者的動能產(chǎn)生電能，并為所穿戴設備中的電池直接充電，如圖1。

圖1：采用TI CC2541 SoC構(gòu)建的可穿戴設備。

電源模式

設計師的首要考慮因素就在于優(yōu)化節(jié)能技術，充分發(fā)揮在一定時間內(nèi)待機模式下的低功耗解決方案優(yōu)勢，并利用可能的物理中斷喚醒可穿戴設備，如振動，或突然移動。為了收集數(shù)據(jù)，健身設備可能工作在啟動模式，但在未偵測到運動時，則可進入節(jié)能狀態(tài)，并盡可能地保持在睡眠或深度睡眠模式。

目前，緊湊型鋰離子電池技術是可穿戴設備的主要能源，然而，容量與電池的尺寸密切相關，而且經(jīng)過幾年的使用后容量也會大幅降低。

有效延長電池壽命的一種方法是降低可穿戴設備內(nèi)的諸多傳感器的功耗。所有的傳感器都有重要的作用，并工作在與電池電壓不同的電壓等級中，因此它們需要直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器，如圖2。

圖2：多軌DC-DC配置

提高轉(zhuǎn)換效率直接影響電池的壽命。開關穩(wěn)壓器的選擇也是盡可能提高效率、為每步工作決定功耗級的關鍵因素之一。根據(jù)輸入與輸出的電壓，能以1mA的低靜態(tài)電流實現(xiàn)最大80%的效率。

與線性穩(wěn)壓器相比，基于電感的DC/DC開關型轉(zhuǎn)換器具有優(yōu)異的效率，因此是首選器件，但增加多個基于電感的開關型穩(wěn)壓器來滿足各個電壓要求的成本太高。當然也可以考慮使用多軌的DC-DC或開關電容轉(zhuǎn)換器取代線性穩(wěn)壓器，以提高整體效率并延長電池壽命。

德州儀器(TI)的TPS82740A模塊專門設計用于滿足諸如智能手表等穿戴式裝置的電源要求。這種模塊采用“MicroSIP”技術(系統(tǒng)級封裝)，在面積僅6.7mm2的封裝內(nèi)整合了開關電容和輸入/輸出電感。如圖3所示的典型配置不需要任何外部元件。

圖3：采用經(jīng)典配置的TI TPS82740A模塊

TI模塊的工作原理采用了無縫轉(zhuǎn)換至節(jié)能模式的直接控制技(DCSControl)。該器件可工作在充電鋰離子電池或以鋰為主的電池(比Li-SOCl2、Li-MnO2)，或是采用兩個或三個堿性電池工作。輸入電壓最高5.5V，也允許從USB端口或薄膜太陽能模塊(如果想利用能量采集技術的話)取電工作。

熱能采集

使用熱電發(fā)生器(TEG)可以將熱能轉(zhuǎn)換為電能，其核心是熱電堆。從熱力學的原理來看，人類皮膚上的熱能量無法有效地轉(zhuǎn)換為電能，即使人類平均可以產(chǎn)生100W以上的能量。但我們假設大約1%到2%的低轉(zhuǎn)換效率，所取得的能量就足以使一個低功耗可穿戴設備正常工作。直接接觸皮膚放置的TEG可穿戴設備產(chǎn)生的熱電路可以用人體和環(huán)境的熱電阻加以描述。這些電阻串聯(lián)在一起，可代表熱電產(chǎn)生器的熱阻。

我們一直在產(chǎn)生熱，這是人體新陳代謝的副作用。然而，只有少部分的熱通過熱流和紅外線輻射耗散到周圍環(huán)境中，剩下的熱量則以水蒸汽的形式被抑制。另外，只有少部分的熱流可以被收集起來并儲存為能量。兩層之間產(chǎn)生的電壓幅度V取決于材料和溫度，并以塞貝克(Seebeck)系數(shù)S函數(shù)遵循線性關系。

正如我們所看到的，能量優(yōu)化的同時，必須同時準確選擇各種元件，以及電源和只在必要時提供電源的智能電源管理系統(tǒng)。

設計低功耗系統(tǒng)時有許多需要考慮的因素：功耗、所需要的周期、電壓和總功耗。因此，所有的設計場景都必須仔細地加以規(guī)劃。

圖4：采用熱能采集技術的起搏器方塊圖