穿戴式裝置：滿足卓越電源管理的需求

工程師在穿戴式技術(shù)環(huán)境中必須處理的主要設(shè)計(jì)問(wèn)題是整體緊湊性和功耗預(yù)算。前者將為佩戴者帶來(lái)更大的舒適度，而后者則有利于長(zhǎng)時(shí)間操作—兩者都鼓勵(lì)更多的使用。然而，這些功能可能會(huì)對(duì)彼此產(chǎn)生不利影響。
盡管微電子組件的物理尺寸不斷減小，但其復(fù)雜程度卻不斷上升，所以可提供新的特性和功能。因此，這對(duì)可用電池資源造成了壓力。所采用的電池管理技術(shù)必須提供快速充電功能，使穿戴式裝置能夠供電足夠的小時(shí)數(shù)，以避免頻繁充電，進(jìn)而對(duì)使用者體驗(yàn)產(chǎn)生不利影響。這就需要在電源管理集成電路 （PMIC）方面進(jìn)行創(chuàng)新。
現(xiàn)代可穿戴裝置允許佩戴者監(jiān)測(cè)各種重要參數(shù)。根據(jù)裝置的特定目標(biāo)，某些值比其他值更重要。設(shè)備在身體上的位置會(huì)顯著影響可以量測(cè)或不能量測(cè)的內(nèi)容。一般來(lái)說(shuō)，最合適的位置是手腕，因?yàn)樗峁┝吮O(jiān)測(cè)健康/健身相關(guān)參數(shù)的最佳點(diǎn)，并且還可以讓佩戴者輕松檢查擷取的數(shù)據(jù)。
顯然，面臨的挑戰(zhàn)是找到一種方法來(lái)支持超低功耗作業(yè)，同時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)緊湊的外形尺寸。流線型、輕量化的設(shè)計(jì)將最吸引消費(fèi)者，并見證更廣泛的商業(yè)應(yīng)用。因此，工程師在產(chǎn)品開發(fā)階段必須牢記這一點(diǎn)。相反，穿戴式裝置的結(jié)構(gòu)限制了電池的尺寸，從而限制了其運(yùn)行時(shí)間。消費(fèi)者最常見的困擾之一是產(chǎn)品的電池壽命不夠。
電源管理設(shè)計(jì)：高效率能源管理
保持最低功耗水平以及受產(chǎn)品外形尺寸限制的電池的動(dòng)態(tài)發(fā)展，迫使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)做出困難的電路布局選擇，以獲得完全優(yōu)化的終端產(chǎn)品。穿戴式裝置必須能夠包含不同的多媒體和感測(cè)功能，并具有足夠的電池資源，同時(shí)又不能太笨重。通常使用的方法是根據(jù)特定的功耗需求，將設(shè)計(jì)分為模擬和數(shù)字模塊，然后相應(yīng)地對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，許多電路域可以在不需要時(shí)停用，但其他電路域則依賴連續(xù)運(yùn)作。
典型的穿戴式架構(gòu)將包括以下組件：微控制器、內(nèi)存、小型顯示器、適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳈C(jī)制、通訊 IC 以及隨附的電源管理電路。電源管理方面將包括負(fù)責(zé)充電的PMIC，以及各種降壓轉(zhuǎn)換器和多個(gè)低壓差（LDO）穩(wěn)壓器以支持藍(lán)牙和 Wi-Fi聯(lián)機(jī)。
穿戴式裝置的電源管理系統(tǒng)需要覆蓋多個(gè)電壓軌，一個(gè)用于微控制器，一個(gè)用于顯示器，另一個(gè)通常用于傳感器（見圖一）。微控制器和傳感器大部分時(shí)間都處于睡眠模式，但會(huì)醒來(lái)執(zhí)行預(yù)定功能或響應(yīng)用戶輸入。許多可穿戴傳感器的工作電壓低至0.8V。如果負(fù)載非?；钴S（例如每隔幾秒鐘執(zhí)行一次采樣的心臟傳感器），則微控制器的電流消耗通常估計(jì)在每MHz 35μA到40μA之間，因此在尋求支持時(shí)，超低功耗設(shè)計(jì)是一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)。


 
圖一 : 穿戴式裝置的典型電路架構(gòu)（source：Renesas）

電源管理系統(tǒng)以兩種不同的形式執(zhí)行DC/DC電源轉(zhuǎn)換：
?透過(guò)線性穩(wěn)壓器—可完全整合到PMIC芯片中并具有電壓可擴(kuò)展性。
?透過(guò)基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器—效率高且具電壓可擴(kuò)展性，但往往是分立式的而不是整合式的。

這些調(diào)節(jié)器在物理尺寸、靈活性、效率等方面有所不同。
?使用超低IQ穩(wěn)壓器可能是合適的，因?yàn)樗鼈儠?huì)降低「始終處于活動(dòng)狀態(tài)」的傳感器或外圍的待機(jī)功耗，這些有助于延長(zhǎng)電池壽命并支持使用較小的電池。
?當(dāng)穿戴式裝置使用、進(jìn)行量測(cè)或進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，高效率的穩(wěn)壓器可顯著降低有功功率。
?整合使復(fù)雜的電源架構(gòu)能夠在空間限制嚴(yán)格的項(xiàng)目中實(shí)施。

選擇合適的穩(wěn)壓器是最大限度提高效率的關(guān)鍵因素，還需要評(píng)估活動(dòng)模式和待機(jī)模式下的當(dāng)前功耗，使用具有強(qiáng)阻抗匹配的接口有助于滿足低電流要求并延長(zhǎng)電池壽命。Renesas的ISL9016等尖端LDO控制器可以在每個(gè)通道上提供高達(dá)150mA的電流。此組件配備高達(dá)200mΩ的靜電電阻（ESR）。 ISL9016也能夠在啟用單一LDO的情況下以非常低的靜態(tài)電流運(yùn)作（圖二）。

 
圖二 : Renesas ISL9016 LDO控制器的靜態(tài)電流與輸入電壓的關(guān)系（VOUT1 = 3.3V，僅LDO1啟用）。 （source：Renesas）

盡管開關(guān)配置比使用LDO更有效率，但它需要各種電感器來(lái)提供不同的電壓軌，這些都會(huì)增加成本和尺寸，因此在穿戴式裝置的設(shè)計(jì)中基本上是不切實(shí)際的。電源管理的首選架構(gòu)將是單電感器多輸出（SIMO），而不是增加組件數(shù)量和物料列表，以及占用更多的電路板空間。
SIMO降壓-升壓穩(wěn)壓器IC，例如Maxim Integrated MAX77650（圖三），具有單一電感器，可根據(jù)電路要求在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)多達(dá)三個(gè)輸出電壓，指定它可以消除對(duì)某些分立組件的需求，從而節(jié)省空間。


 
圖三 : Maxim Integrated的MAX77650是一款高度整合的電池充電和電源解決方案，適用于低功耗穿戴式應(yīng)用。（source：Maxim Integrated）

電池容量與產(chǎn)品尺寸
一個(gè)典型的設(shè)計(jì)問(wèn)題是在各種使用場(chǎng)景下保持電池壽命。智能型手表的空間通常只能容納一顆電壓為3.8V、容量為130mAh至410mAh的單顆鋰離子電池，鋰離子是小型可充電電池中最受歡迎的化學(xué)物質(zhì)。電池管理和充電系統(tǒng)的目標(biāo)是在充電和操作過(guò)程中仔細(xì)監(jiān)控電流、電壓和溫度，主要挑戰(zhàn)是最大限度地降低系統(tǒng)本身的功耗水平、減少充電所需的時(shí)間，以及最大限度地提高可用電池電量。高度整合的Texas Instruments BQ25100專為給單節(jié)鋰離子電池充電而設(shè)計(jì)，并允許使用具有非穩(wěn)定輸出的低成本網(wǎng)絡(luò)適配器，該P(yáng)MIC還可以處理其他電池化學(xué)成分，例如鋰聚合物。
盡管與其他電池技術(shù)相比，鋰離子電池占據(jù)了更多的市場(chǎng)，但它們?cè)诠β省⒊叽绾统潆姶螖?shù)方面永遠(yuǎn)無(wú)法與超級(jí)電容器競(jìng)爭(zhēng)。隨著穿戴式裝置變得越來(lái)越小，其內(nèi)部空間變得越來(lái)越寶貴，目前的趨勢(shì)是超級(jí)電容器取代可充電電池，提供一種基于奈米技術(shù)的新能源儲(chǔ)存方式。與電池不同，超級(jí)電容器能夠很好地適應(yīng)能量收集裝置，并且可以在幾秒鐘內(nèi)充電。它們還可以承受幾乎無(wú)限的充電周期。
AVX的PrizmaCap是棱柱形超級(jí)電容器，可單獨(dú)使用或與一次或二次電池結(jié)合使用，以幫助延長(zhǎng)備用時(shí)間、電池壽命或根據(jù)需要提供瞬時(shí)功率脈沖。它們最適合用于穿戴式裝置等應(yīng)用，以及需要脈沖功率處理或能量?jī)?chǔ)存的空間受限設(shè)計(jì)。
人們正在研究能量收集解決方案，作為穿戴式裝置永久使用的輔助能源，而不受超低功耗設(shè)計(jì)的限制。一個(gè)有趣的方法是透過(guò)利用不同材料層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生小電流，這個(gè)過(guò)程稱為「摩擦起電」（triboelectric charging）。這些材料會(huì)獲得電荷，因?yàn)樗鼈冊(cè)谙嗷ヒ苿?dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦，透過(guò)將不同的材料層放在兩個(gè)導(dǎo)電電極之間，日常人體運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生幾微瓦的功率，有助于為穿戴式裝置的電池充電，從而優(yōu)化電源系統(tǒng)的運(yùn)作。

結(jié)論
專用且日益高效的硬件的出現(xiàn)正在將可穿戴市場(chǎng)引向大量的行動(dòng)裝置。新型PMIC以及Microchip和Analog Devices等公司專用SoC的推出，將使最新一代的可穿戴裝置在能源效率、運(yùn)算能力和緊湊性之間找到適當(dāng)?shù)钠胶狻．?dāng)電子設(shè)備小到耳機(jī)或醫(yī)療貼片時(shí)，電池的容量將受到限制。廣泛的工程方法可以幫助找到延長(zhǎng)電池壽命的解決方案，從而節(jié)省每一個(gè)微安培（μA）的可用能源。

（本文作者M(jìn)ark Patrick工作于貿(mào)澤歐洲、中東和非洲（EMEA）團(tuán)隊(duì)）