可穿戴設備：滿足卓越電源管理的需求

工程師在可穿戴技術領域中必須要面對的主要設計問題是整體緊湊性和功率預算?？纱┐髟O備的小巧設計將使佩戴者更加舒適，而降低功率消耗將有助于可穿戴設備長時間運行。這兩種技術都在得到越來越多采用，但是，這兩種屬性可能會對彼此產生不利影響。

雖然微電子元件的物理尺寸正在減小，但其復雜程度卻在不斷提高，因此可以提供新的特性和功能，進而對可用的電池能量造成壓力。所采用的電池管理技術必須能夠提供快速充電功能，同時使可穿戴設備能夠運行足夠長的時間以避免頻繁充電，因為頻繁充電將對用戶體驗產生不利影響。這需要在電源管理集成電路（PMIC）方面的創新。

當今的可穿戴設備允許佩戴者監視各種重要參數。根據設備的具體目標，某些參數可能比其他更為重要。設備處在身體上的位置基本決定了哪些參數可以測量，哪些不能測量。通常，最合適的位置是手腕，因為該位置是用于監控健康/健身相關參數的最佳點，并且還為佩戴者提供了檢查獲取數據的便利訪問。

顯然，設計師的挑戰在于找到一種方法來支持超低功耗運行，同時也能夠實現緊湊的外形。流線型、輕巧的設計對于消費者最具吸引力，也具有更大的商業價值。因此，工程師必須在產品開發階段牢記這一點。但是，可穿戴設備的結構限制了所使用的電池的尺寸，并因此限制了運行持續時間，而對于消費者，一個最不好的體驗是那些沒有足夠長電池壽命的產品。

電源管理設計：高效能源管理

由于受可穿戴設備外形尺寸限制，電池的大小也相應受到限制，因而要維持系統最低功耗水平，這使設計團隊在選擇合適電路布局，以獲得完全優化的最終產品方面極為困難?？纱┐髟O備必須能夠包含不同的多媒體和感測能力，并具有足夠的電池能量，同時不會太笨重。通常使用的設計方法是根據特定的功率需求將設計劃分為模擬和數字模塊，然后對它們進行相應地優化。許多電路區塊在不需要時可以停用，但有些電路區塊則需要連續運行。

一個典型的可穿戴架構包括以下元件：微控制器、存儲器、小型顯示器、適當的傳感器、通信IC和伴隨的電源管理電路。電源管理方面將包括負責充電的PMIC，以及各種降壓轉換器和幾個低壓差（LDO）電壓穩壓器，以及對于藍牙/Wi-Fi連接的支持。

可穿戴設備的電源管理系統需要覆蓋多個電壓軌，一個用于微控制器，一個用于顯示器，還有一個用于傳感器。微控制器和傳感器會有大部分時間處于睡眠模式，需要喚醒以執行預定功能或響應用戶的輸入。許多可穿戴設備的傳感器工作電壓高達0.8V。如果負載非?；钴S（例如心臟傳感器每隔幾秒鐘執行一次采樣），微控制器的電流消耗通常估計在每MHz 35μA到40μA之間，因此在尋找支持超低功耗的設計時，需要極大地關注這一點。

圖1：一種可穿戴設備的典型電路架構。（來源：瑞薩）

電源管理系統以兩種不同的形式執行DC/DC電源轉換：

·通過線性穩壓器，這種線性穩壓器可以完全集成到PMIC芯片中，并具有電壓可擴展性。

·通過基于電感的開關穩壓器，這種方式具有非常高的效率，且具有電壓可擴展性，但往往是采用分立元件，而不是集成方式。

這些穩壓器在物理尺寸、靈活性、效率等方面存在差異。因此，在開始啟動一個可穿戴技術的設計項目時，應考慮以下幾點：

·使用具備超低IQ的穩壓器可能比較合適，因為它們會降低“始終工作”的傳感器或外圍設備的待機功率。這些有助于延長電池壽命，并支持使用更小的電池。

·高效的穩壓器可以顯著降低有功功率，即當可穿戴設備正在使用，并進行測量或進行數據傳輸時的功率。

·在具有嚴格空間限制的項目中，高集成度能夠實現復雜的電源架構。

選擇合適的電壓穩壓器是實現更高效率的關鍵因素，此外還需要評估工作模式和待機模式下的功耗。使用具有強阻抗匹配的接口有助于保持低電流要求，并延長電池壽命。市場上有一些尖端的LDO控制器，其中包括瑞薩的ISL9016，它每個通道可提供高達150mA的電流，該器件具有高達200mΩ的靜態電阻（ESR），而靜態電流通常約為60μA。

圖2：瑞薩的ISL9016 LDO控制器。（來源：瑞薩）

圖3：Maxim Integrated的MAX77650降壓-升壓穩壓器。（來源：Maxim Integrated）

雖然開關配置比使用LDO具有更高效率，但它需要各種電感器來提供不同的電壓軌，這會增大成本和尺寸，因此在可穿戴設計中基本上不切實際。既不能增大元件數量和材料清單成本，也不可占用更多的電路板空間，能夠滿足這種要求的首選電源管理架構是單電感器多輸出（SIMO）。

來自Maxim Integrated 的MAX77650的SIMO降壓-升壓穩壓器IC具有單個電感器，可根據電路要求在較寬范圍內調節多達三個輸出電壓。由于可消除對某些分立元件的需求，該器件可以顯著節省空間。

電池容量與產品尺寸

可穿戴設備的一個典型設計挑戰是在各種不同應用場景下保持長電池壽命。智能手表通常僅有用于單節鋰離子電池的空間，電壓為3.8V，容量在130mAh至410mAh之間。鋰離子電池是小型可充電電池最常用的化學電池，而電池管理和充電系統的目標是在充電和運行期間仔細監控電流、電壓和溫度，其主要挑戰是最大限度地降低系統本身的功耗水平，減少充電所需的時間，并使可用的電池電量最大化。德州儀器（TI）高集成度BQ25100專為單節鋰離子電池充電而設計，允許使用具有非穩定輸出的低成本網絡適配器。該PMIC還可用于鋰聚合物等其他化學成分電池。

與其他電池技術相比，雖然鋰離子電池占據了更多市場份額，但這種技術在功率、尺寸和循環次數等方面永遠無法與超級電容器競爭。隨著可穿戴設備變得越來越小，其內部空間變得越來越寶貴。目前的一種趨勢是用超級電容器取代可充電電池，從而提供一種基于納米技術的新能量存儲方式。與電池不同，超級電容器能夠很好地適應能量收集裝置，并可在幾秒鐘內充電，它們還可以承受幾乎無限次的充電循環周期。Murata的超薄DMH超級電容器容量為35mF，標稱電壓為4.5V，ESR為300mΩ，所有均處于一個20mm x 20mm x 0.4mm封裝內。

目前也正在研究一些新的能量收集解決方案，以作為永久使用可穿戴設備的輔助能源，從而不再有與超低功耗設計相關的限制。一種有趣的方法是通過利用不同材料層的相對運動來產生小電流，這一過程稱為摩擦帶電（triboelectric charging）。材料在有彼此相對運動時產生摩擦，因而獲得電荷。在兩個導電電極之間放置不同材料層，可以通過日常人體運動產生幾μW的功率，能夠為可穿戴設備的電池充電，從而優化電源系統的運行。

結論

專用且越來越高效硬件的出現正在將可穿戴市場引向大批量的移動設備。Microchip和Analog Devices（ADI）等公司提供的新型PMIC以及專用SoC將使最新一代可穿戴設備在能效、計算能力和緊湊性等方面找到適當的平衡點。如果電子設備需要達到耳機或醫療貼片一樣的體積大小，其電池容量將受到極大限制，通過實施廣泛的工程方法可以找到延長電池壽命的最佳解決方案，從而節省每個μA的可用能量。