可穿戴技術(shù)利用低功率轉(zhuǎn)換保障身體健康

摘要：本文分析了典型的可穿戴設(shè)備的設(shè)計要點，提供了一種超低靜態(tài)電流IC解決方案。

　　一度像走路或跑步計步器一樣簡單的可穿戴設(shè)備，似乎一夜之間就變得更先進或智能化了。從面向聽障人士的語音振動轉(zhuǎn)換背心、先進的健身活動跟蹤器到夜視設(shè)備甚至平視成像顯示器，可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為消費類、軍用和工業(yè)市場的一部分。“可穿戴產(chǎn)品” 可定義為具備以下特點的產(chǎn)品：用戶穿戴在身上較長時間，而且由于穿戴了該產(chǎn)品而在某種程度上擁有更好的體驗?！爸悄芑?可穿戴產(chǎn)品則增加了連網(wǎng)能力和獨立數(shù)據(jù)處理能力?？纱┐鳟a(chǎn)品從應(yīng)用上分成 5 種類別：健身 / 保健 (活動監(jiān)視器、健身帶、足部傳感器和心率監(jiān)視器);信息娛樂 (智能眼鏡 / 護目鏡、智能腕表和成像設(shè)備);軍用 (夜視設(shè)備、平視顯示器、人體外骨骼和智能服裝);工業(yè) (佩戴在身上的終端) [來源：2013 IHS Electronics and Media]。這些產(chǎn)品的采用率是由不同的市場力量驅(qū)動的。就軍用類別而言，人們希望的是提高作戰(zhàn)效能以及對周圍情況的感知、地圖 / 路徑識別和拯救生命的能力。工業(yè)類別的主要驅(qū)動力是提高生產(chǎn)線效率和跟蹤能力。對于信息娛樂類別則是采用尖端成像及虛擬現(xiàn)實技術(shù)以持續(xù)爆炸性增長游戲市場，以及日益增加并能夠無線連接智能手機以成為 “物聯(lián)網(wǎng) (IoT)” 組成部分的設(shè)備。最后，保健與醫(yī)療市場的主要驅(qū)動力包括：平均壽命延長、限制不斷上升的醫(yī)療和保險費用、希望保持健康生活以及縮短住院時間。

有關(guān)健康的生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)

　　有關(guān)健康的生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)指的是衡量人體基本機能的生命體征數(shù)據(jù)，包括體溫、脈搏/心率、呼吸頻率和血壓。這些生命體征數(shù)據(jù)至關(guān)重要，因為這些數(shù)據(jù)中如果出現(xiàn)不好的變化，可能意味著健康水平下降，反之亦然。為了測量這些生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)，醫(yī)院和醫(yī)生診室中當(dāng)然配備了齊全、昂貴的設(shè)備。不過，想象一下，如果不用去醫(yī)院就可以高效測量這些數(shù)據(jù)，而且不用花費很多，那么生活質(zhì)量會有多大改觀? 例如，在家中或工作場所，可以按照實時生命體征數(shù)據(jù)即時調(diào)整生活和行為方式，這可以改善健康水平并有可能延長甚至挽救生命。幸運的是，設(shè)備成本大幅下降，先進的傳感器技術(shù)不斷進步，因此智能醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備得以持續(xù)激增。這類可穿戴設(shè)備包括較簡單并可佩戴在身上的 “單一生命體征” 測量產(chǎn)品，也包括較復(fù)雜和到處都是傳感器的人體外骨骼設(shè)備。不過，從集成電路 (IC) 電子產(chǎn)品角度來看，劃分這些可穿戴設(shè)備的組成以及給這些設(shè)備高效供電并非微不足道之事。為了進一步理解這一點，接下來看看一個典型的智能可穿戴設(shè)備的內(nèi)部組成。

典型的智能可穿戴設(shè)備

　　典型智能可穿戴設(shè)備的運行靠什么驅(qū)動? 可以把它想象成一個微型嵌入式系統(tǒng)。準確地劃分其組成顯然取決于設(shè)備本身。一般而言，一款智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)包括以下部分：

　　● 一個微處理器或微控制器或類似 IC;

　　● 某些微型機電傳感器 (MEMS);

　　● 小型機械傳動器;

　　● 全球定位系統(tǒng) (GPS) IC;

　　● 藍牙 / 蜂窩 / Wi-Fi 連接以收集 / 處理和同步數(shù)據(jù);

　　● 成像電子組件，LED;

　　● 計算資源;

　　● 可再充電或主 (非可再充電) 電池或電池組;

　　● 支持性電子組件。

　　可穿戴設(shè)備的主要設(shè)計要求通常是緊湊的外形尺寸、重量很輕以實現(xiàn)可穿戴性 / 舒適性、以及超低能耗以延長電池運行時間 / 壽命。不過，以最低電流消耗準確和高效地給這些設(shè)備供電并非如此簡單。與智能可穿戴設(shè)備供電有關(guān)的主要問題包括：

　　(1)在電池供電設(shè)備中，電源管理 IC 的電流消耗要很低，這對延長運行時間是至關(guān)重要的。必要使用微功率或毫微功率轉(zhuǎn)換 IC。

　　(2)MEMS 傳感器需要用穩(wěn)定和低噪聲的電源供電。動作頻繁的傳動器也能從中受益。LDO 或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合這類軌，因為這類穩(wěn)壓器具備很低的輸出噪聲。

　　(3)藍牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窩連接系統(tǒng)電源軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或 LDO 后置調(diào)節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓器 (因輸出電流可能很高) 或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器是非常好的選擇。

　　(4)處理器 (可穿戴設(shè)備的 “大腦”) 電源。從 ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片到 FPGA，都需要各種低壓電源軌，以涵蓋整個電流范圍。這些芯片可以由 LDO 或開關(guān)穩(wěn)壓器供電。

　　(5)既然不是所有可穿戴設(shè)備都由可再充電電池供電，那么有些設(shè)備可以使用主 (非可再充電) 電池，這類電池要求每次更換之間可運行較長時間。因此，找到一種估計電池運行時間的方法是個關(guān)鍵。

　　(6)緊湊的尺寸和很輕的重量使用戶感覺更加舒服。封裝緊湊的 IC 可構(gòu)成占板面積很小的解決方案，因此使可穿戴設(shè)備外形小且重量輕。