可穿戴设备市场的增长日益强劲,预计未来几年内销售量将达6亿,并且随着物联网(IoT)的崛起和即将到来的工业4.0,未来的发展越来越乐观。今天,可穿戴设备不再只是一些小玩具了,它还包括许多医疗领域使用的健康监测工具。

 

影响可穿戴设备市场普及的障碍在于其能源自主性:为了加强“可穿戴”的概念,必须采用小型电池,并且进一步改善其能效和电源管理。

 

高度整合的电子设备由于提供新的控制功能,催生了许多应用和多功能的使用场景,进一步改善我们的生活环境。技术发展的脚步非常快速,可穿戴设备提供的可能性已经涉及医疗领域。健康监测用的可穿戴设备能够严格,且实时地控制重要的症状,从而为医疗专家提供通过云端存取监测数据的可能性。

 

一般可穿戴设备管理的信息量、可视化LED接口以及低功耗蓝牙(BLE)通信协议都需要高效率的电源管理解决方案,才能实现更长使用寿命的产品,同时使用能量采集技术提供充电的新机会。可穿戴设备已经证实是使用能量采集技术的沃土,人们可以利用穿戴者的动能产生电能,并为所穿戴设备中的电池直接充电,如图1。

 


图1:采用TI CC2541 SoC构建的可穿戴设备。

 

电源模式

设计师的首要考虑因素就在于优化节能技术,充分发挥在一定时间内待机模式下的低功耗解决方案优势,并利用可能的物理中断唤醒可穿戴设备,如振动,或突然移动。为了收集数据,健身设备可能工作在启动模式,但在未侦测到运动时,则可进入节能状态,并尽可能地保持在睡眠或深度睡眠模式。

 

目前,紧凑型锂离子电池技术是可穿戴设备的主要能源,然而,容量与电池的尺寸密切相关,而且经过几年的使用后容量也会大幅降低。

 

有效延长电池寿命的一种方法是降低可穿戴设备内的诸多传感器的功耗。所有的传感器都有重要的作用,并工作在与电池电压不同的电压等级中,因此它们需要直流/直流(DC/DC)转换器,如图2。

 


图2:多轨DC-DC配置

 

提高转换效率直接影响电池的寿命。开关稳压器的选择也是尽可能提高效率、为每步工作决定功耗级的关键因素之一。根据输入与输出的电压,能以1mA的低静态电流实现最大80%的效率。

 

线性稳压器相比,基于电感的DC/DC开关型转换器具有优异的效率,因此是首选器件,但增加多个基于电感的开关型稳压器来满足各个电压要求的成本太高。当然也可以考虑使用多轨的DC-DC或开关电容转换器取代线性稳压器,以提高整体效率并延长电池寿命。

 

德州仪器(TI)的TPS82740A模块专门设计用于满足诸如智能手表等穿戴式装置的电源要求。这种模块采用“MicroSIP”技术(系统级封装),在面积仅6.7mm2的封装内整合了开关电容和输入/输出电感。如图3所示的典型配置不需要任何外部元件。

 


图3:采用经典配置的TI TPS82740A模块

 

TI模块的工作原理采用了无缝转换至节能模式的直接控制技(DCSControl)。该器件可工作在充电锂离子电池或以锂为主的电池(比Li-SOCl2、Li-MnO2),或是采用两个或三个碱性电池工作。输入电压最高5.5V,也允许从USB端口或薄膜太阳能模块(如果想利用能量采集技术的话)取电工作。

 

热能采集

使用热电发生器(TEG)可以将热能转换为电能,其核心是热电堆。从热力学的原理来看,人类皮肤上的热能量无法有效地转换为电能,即使人类平均可以产生100W以上的能量。但我们假设大约1%到2%的低转换效率,所取得的能量就足以使一个低功耗可穿戴设备正常工作。直接接触皮肤放置的TEG可穿戴设备产生的热电路可以用人体和环境的热电阻加以描述。这些电阻串联在一起,可代表热电产生器的热阻。

 

我们一直在产生热,这是人体新陈代谢的副作用。然而,只有少部分的热通过热流和红外线辐射耗散到周围环境中,剩下的热量则以水蒸汽的形式被抑制。另外,只有少部分的热流可以被收集起来并储存为能量。两层之间产生的电压幅度V取决于材料和温度,并以塞贝克(Seebeck)系数S函数遵循线性关系。

 

正如我们所看到的,能量优化的同时,必须同时准确选择各种元件,以及电源和只在必要时提供电源的智能电源管理系统。

 

设计低功耗系统时有许多需要考虑的因素:功耗、所需要的周期、电压和总功耗。因此,所有的设计场景都必须仔细地加以规划。

 


图4:采用热能采集技术的起搏器方块图