可穿戴設(shè)備打造的電源管理解決方案

TI認(rèn)為在可穿戴設(shè)備中，電池通常非常小(例如100 mAh)，設(shè)備又需要持續(xù)幾天甚至是幾個(gè)星期而又不用充電，因此功耗是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。因此，高功率轉(zhuǎn)換效率將是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素。時(shí)尚的手腕式可穿戴設(shè)備要想保持其酷炫特點(diǎn)，電子電路需要保持在極小的尺寸以內(nèi)。這推動(dòng)了高水平的包括電源管理IC在內(nèi)的全器件集成。此外，功率器件的占板面積和封裝應(yīng)做到盡可能小。另外，可穿戴設(shè)備可能采用新型電源，例如對(duì)太陽(yáng)能或熱能進(jìn)行能量采集。同時(shí)，某些產(chǎn)品可能更傾向于非接觸式充電。這些非接觸式充電當(dāng)中包括了無(wú)線充電。

對(duì)于可穿戴電源目前存在的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，總結(jié)了以下五點(diǎn)。

1、在鋰電池過(guò)充或溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致起火，鋰電池的安全性問(wèn)題仍讓人擔(dān)憂的同時(shí)，充電器應(yīng)具有幾乎所有類型的安全設(shè)計(jì)，包括過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)和低溫充電等，甚至是在充電器IC及解決方案尺寸必須保持非常小的情況下也是如此。

2、因?yàn)榭纱┐髟O(shè)備中的電池較小，充電精度的需求提高使為這些小電池充電并非易事。充電器必須能夠提供更小的充電截止電流。換言之，充電器的精度應(yīng)該更高，達(dá)mA級(jí)。例如，在智能手機(jī)系統(tǒng)中，2,000 mAh電池的正常充電電流為1.2 A(0.6 C)，充電截止電流應(yīng)為正常充電電流的1/10～1/20，即120 mA～60 mA。然而在手環(huán)中，由于電池容量可能為100 mAh，正常充電電流將為60 mA，充電截止電流應(yīng)為6 mA～3 mA。滿足這種要求的充電器器件很難找到。

3、可穿戴設(shè)備應(yīng)具有較長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。通常，如果消費(fèi)者每天都要為設(shè)備充電，他們就會(huì)不高興。在現(xiàn)在許多最好的智能手機(jī)都必須一兩天充電一次的情況下，終端用戶顯然期待能夠有所改善。整個(gè)電源管理應(yīng)能夠提供高效率的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這包括：穩(wěn)壓器效率，以及穩(wěn)壓器和電池充電器應(yīng)提供低靜態(tài)電流、低待機(jī)電流和低漏電流。具有極低漏電流和待機(jī)電流以及低靜態(tài)電流的電源管理器件更加難于設(shè)計(jì)。

4、甚至是現(xiàn)今最好的電池技術(shù)也不能完全解決電池運(yùn)行時(shí)間的訴求。我們需要在使用可穿戴設(shè)備的同時(shí)，開(kāi)發(fā)新的電源。新型電源的瓶頸在于其轉(zhuǎn)換為可用功率時(shí)，功率密度和轉(zhuǎn)換效率極低。

5、在可穿戴設(shè)備中，因?yàn)闈穸?、腐蝕等關(guān)系，許多產(chǎn)品的失效點(diǎn)為充電/信號(hào)連接器。

針對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，TI 的應(yīng)對(duì)措施如下。

1、TI的充電器IC和電量計(jì)IC為工作中的電池提供了最廣泛的保護(hù)和監(jiān)控。TI在保持相同水平保護(hù)功能的同時(shí)縮小半導(dǎo)體尺寸的過(guò)程中取得了成功。例如，bq24040和bq25100都與JEITA標(biāo)準(zhǔn)兼容。兩者都具有Ts輸入用于監(jiān)控電池?zé)崦綦娮?，以保證充電溫度在合適范圍內(nèi)。bq24040尺寸為2mm×2mm，并且在2014 年中期推出bq25100之前是最小的充電器。bq25100尺寸為1.6 mm×0.9 mm，與0603尺寸的電容相當(dāng)(圖1)。

2、主流可穿戴設(shè)備品牌采用TIbq24040/45或bq24232(帶電源通路)充電器IC，是因?yàn)樗鼈兊某叽巛^小(分別為2mm×2mm和3mm×3mm)、精度較高。并且在適配器連接時(shí)，甚至是電池電量耗盡時(shí)，bq24232允許系統(tǒng)立即上電。在先進(jìn)的可穿戴設(shè)計(jì)中，精度和電源通路特性最受青睞。另外，bq25100允許正常充電電流最小為10 mA，并且能夠?qū)⒊潆娊刂闺娏骰蝾A(yù)充電電流設(shè)置為1mA，這是針對(duì)可穿戴設(shè)備的業(yè)界最高精度。

3、為了在電源管理系統(tǒng)中降低功耗，TI針對(duì)可穿戴設(shè)備在極低的流耗下工作改造了這些器件。例如，bq25100在工作模式下的靜態(tài)電流小于1μA，并且在bq25100處于關(guān)閉模式時(shí)，電池漏電流低至75 nA。同時(shí)，“Nano -Buck”TPS62736降壓轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流極低，僅為380nA，在15nA低負(fù)載的情況下，能夠幫助實(shí)現(xiàn)超過(guò)90%的效率。與在低負(fù)載條件下的傳統(tǒng)DC/DC轉(zhuǎn)換相比，這能夠延長(zhǎng)30%～50%的電池運(yùn)行時(shí)間。

4、能量采集技術(shù)刺激了可穿戴設(shè)備的新應(yīng)用。TPS25504能夠從單個(gè)太陽(yáng)能電池(約0.3～0.6V)或TEG(熱電發(fā)生器，0.3V)等低能量源中獲取能量。它對(duì)啟動(dòng)電壓的要求較低，僅為0.33V，并且能夠在低至80 mV的電壓下工作。其靜態(tài)電流也很低，僅為330nA。

5、隨著Moto360等應(yīng)用取得極大成功，無(wú)線充電變成了可穿戴設(shè)備，尤其是智能手表的取代性選擇方案。使用無(wú)線充電可使可穿戴設(shè)備無(wú)需使用連接器，做到更好地密封;無(wú)線充電有利于推廣帶有定制底座的易于充電的使用案例;無(wú)線充電Rx推薦是Qi兼容的，這樣可穿戴設(shè)備能夠在任何標(biāo)準(zhǔn)的Qi充電器上進(jìn)行充電. Tx可以是Qi兼容的,但有些設(shè)計(jì)限于尺寸或特殊形狀要求，TX線圈需要定制(非Qi規(guī)范)。 ST：小體積、單芯片電源管理方案是發(fā)展趨勢(shì)

意法半導(dǎo)體(ST)認(rèn)為可穿戴設(shè)備有以下三點(diǎn)趨勢(shì)。第一，超低靜態(tài)電流和小封裝電源管理單芯片是個(gè)趨勢(shì)。該電源管理芯片需集成線性充電、LDO和DC/DC等功能。LDO和DC/DC給其他模塊供電，比如藍(lán)牙、傳感器、MCU、GPS等。比如，STNS01是一個(gè)集成路徑管理、3 .1V/ 100mA超低靜態(tài)電流LDO、線性充電和過(guò)放保護(hù)的電源管理芯片。整個(gè)芯片尺寸只有3mm×3mm ,同時(shí)待機(jī)功耗只有100 nA。路徑管理可以保證即插即用，和減少電池充放電次數(shù)以延長(zhǎng)電池壽命。3.1V/100mA超低靜態(tài)電流LDO在沒(méi)有負(fù)載時(shí)可以實(shí)現(xiàn)1nA的靜態(tài)電流。線性充電的充電電流可以通過(guò)外圍電阻設(shè)置充電電流從15mA～200mA，可以滿足所有各種可穿戴設(shè)備對(duì)充電電流的要求。