穿戴式装置：满足卓越电源管理的需求

工程师在穿戴式技术环境中必须处理的主要设计问题是整体紧凑性和功耗预算。前者将为佩戴者带来更大的舒适度，而后者则有利于长时间操作—两者都鼓励更多的使用。然而，这些功能可能会对彼此产生不利影响。
尽管微电子组件的物理尺寸不断减小，但其复杂程度却不断上升，所以可提供新的特性和功能。因此，这对可用电池资源造成了压力。所采用的电池管理技术必须提供快速充电功能，使穿戴式装置能够供电足够的小时数，以避免频繁充电，进而对使用者体验产生不利影响。这就需要在电源管理集成电路 （PMIC）方面进行创新。
现代可穿戴装置允许佩戴者监测各种重要参数。根据装置的特定目标，某些值比其他值更重要。设备在身体上的位置会显着影响可以量测或不能量测的内容。一般来说，最合适的位置是手腕，因为它提供了监测健康/健身相关参数的最佳点，并且还可以让佩戴者轻松检查撷取的数据。
显然，面临的挑战是找到一种方法来支持超低功耗作业，同时仍可实现紧凑的外形尺寸。流线型、轻量化的设计将最吸引消费者，并见证更广泛的商业应用。因此，工程师在产品开发阶段必须牢记这一点。相反，穿戴式装置的结构限制了电池的尺寸，从而限制了其运行时间。消费者最常见的困扰之一是产品的电池寿命不够。
电源管理设计：高效率能源管理
保持最低功耗水平以及受产品外形尺寸限制的电池的动态发展，迫使设计团队做出困难的电路布局选择，以获得完全优化的终端产品。穿戴式装置必须能够包含不同的多媒体和感测功能，并具有足够的电池资源，同时又不能太笨重。通常使用的方法是根据特定的功耗需求，将设计分为模拟和数字模块，然后相应地对其进行优化，许多电路域可以在不需要时停用，但其他电路域则依赖连续运作。
典型的穿戴式架构将包括以下组件：微控制器、内存、小型显示器、适当的传感器机制、通讯 IC 以及随附的电源管理电路。电源管理方面将包括负责充电的PMIC，以及各种降压转换器和多个低压差（LDO）稳压器以支持蓝牙和 Wi-Fi联机。
穿戴式装置的电源管理系统需要覆盖多个电压轨，一个用于微控制器，一个用于显示器，另一个通常用于传感器（见图一）。微控制器和传感器大部分时间都处于睡眠模式，但会醒来执行预定功能或响应用户输入。许多可穿戴传感器的工作电压低至0.8V。如果负载非常活跃（例如每隔几秒钟执行一次采样的心脏传感器），则微控制器的电流消耗通常估计在每MHz 35μA到40μA之间，因此在寻求支持时，超低功耗设计是一个主要关注点。


 
图一 : 穿戴式装置的典型电路架构（source：Renesas）

电源管理系统以两种不同的形式执行DC/DC电源转换：
‧透过线性稳压器—可完全整合到PMIC芯片中并具有电压可扩展性。
‧透过基于电感器的开关稳压器—效率高且具电压可扩展性，但往往是分立式的而不是整合式的。

这些调节器在物理尺寸、灵活性、效率等方面有所不同。
‧使用超低IQ稳压器可能是合适的，因为它们会降低「始终处于活动状态」的传感器或外围的待机功耗，这些有助于延长电池寿命并支持使用较小的电池。
‧当穿戴式装置使用、进行量测或进行数据传输时，高效率的稳压器可显着降低有功功率。
‧整合使复杂的电源架构能够在空间限制严格的项目中实施。

选择合适的稳压器是最大限度提高效率的关键因素，还需要评估活动模式和待机模式下的当前功耗，使用具有强阻抗匹配的接口有助于满足低电流要求并延长电池寿命。Renesas的ISL9016等尖端LDO控制器可以在每个通道上提供高达150mA的电流。此组件配备高达200mΩ的静电电阻（ESR）。 ISL9016也能够在启用单一LDO的情况下以非常低的静态电流运作（图二）。

 
图二 : Renesas ISL9016 LDO控制器的静态电流与输入电压的关系（VOUT1 = 3.3V，仅LDO1启用）。 （source：Renesas）

尽管开关配置比使用LDO更有效率，但它需要各种电感器来提供不同的电压轨，这些都会增加成本和尺寸，因此在穿戴式装置的设计中基本上是不切实际的。电源管理的首选架构将是单电感器多输出（SIMO），而不是增加组件数量和物料列表，以及占用更多的电路板空间。
SIMO降压-升压稳压器IC，例如Maxim Integrated MAX77650（图三），具有单一电感器，可根据电路要求在宽范围内调节多达三个输出电压，指定它可以消除对某些分立组件的需求，从而节省空间。


 
图三 : Maxim Integrated的MAX77650是一款高度整合的电池充电和电源解决方案，适用于低功耗穿戴式应用。（source：Maxim Integrated）

电池容量与产品尺寸
一个典型的设计问题是在各种使用场景下保持电池寿命。智能型手表的空间通常只能容纳一颗电压为3.8V、容量为130mAh至410mAh的单颗锂离子电池，锂离子是小型可充电电池中最受欢迎的化学物质。电池管理和充电系统的目标是在充电和操作过程中仔细监控电流、电压和温度，主要挑战是最大限度地降低系统本身的功耗水平、减少充电所需的时间，以及最大限度地提高可用电池电量。高度整合的Texas Instruments BQ25100专为给单节锂离子电池充电而设计，并允许使用具有非稳定输出的低成本网络适配器，该PMIC还可以处理其他电池化学成分，例如锂聚合物。
尽管与其他电池技术相比，锂离子电池占据了更多的市场，但它们在功率、尺寸和充电次数方面永远无法与超级电容器竞争。随着穿戴式装置变得越来越小，其内部空间变得越来越宝贵，目前的趋势是超级电容器取代可充电电池，提供一种基于奈米技术的新能源储存方式。与电池不同，超级电容器能够很好地适应能量收集装置，并且可以在几秒钟内充电。它们还可以承受几乎无限的充电周期。
AVX的PrizmaCap是棱柱形超级电容器，可单独使用或与一次或二次电池结合使用，以帮助延长备用时间、电池寿命或根据需要提供瞬时功率脉冲。它们最适合用于穿戴式装置等应用，以及需要脉冲功率处理或能量储存的空间受限设计。
人们正在研究能量收集解决方案，作为穿戴式装置永久使用的辅助能源，而不受超低功耗设计的限制。一个有趣的方法是透过利用不同材料层的相对运动来产生小电流，这个过程称为「摩擦起电」（triboelectric charging）。这些材料会获得电荷，因为它们在相互移动时会产生摩擦，透过将不同的材料层放在两个导电电极之间，日常人体运动可以产生几微瓦的功率，有助于为穿戴式装置的电池充电，从而优化电源系统的运作。

结论
专用且日益高效的硬件的出现正在将可穿戴市场引向大量的行动装置。新型PMIC以及Microchip和Analog Devices等公司专用SoC的推出，将使最新一代的可穿戴装置在能源效率、运算能力和紧凑性之间找到适当的平衡。当电子设备小到耳机或医疗贴片时，电池的容量将受到限制。广泛的工程方法可以帮助找到延长电池寿命的解决方案，从而节省每一个微安培（μA）的可用能源。

（本文作者Mark Patrick工作于贸泽欧洲、中东和非洲（EMEA）团队）