可穿戴系統電源管理的優(yōu)化策略

今天，可穿戴設備不再只是一些小玩具了，它還包括許多醫療領(lǐng)域使用的健康監測工具。影響可穿戴設備市場(chǎng)普及的障礙在于其能源自主性：為了加強“可穿戴”的概念，必須采用小型電池，并且進(jìn)一步改善其能效和電源管理。

可穿戴設備市場(chǎng)的增長(cháng)日益強勁，預計未來(lái)幾年內銷(xiāo)售量將達6億，并且隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的崛起和即將到來(lái)的工業(yè)4.0，未來(lái)的發(fā)展越來(lái)越樂(lè )觀(guān)。今天，可穿戴設備不再只是一些小玩具了，它還包括許多醫療領(lǐng)域使用的健康監測工具。

影響可穿戴設備市場(chǎng)普及的障礙在于其能源自主性：為了加強“可穿戴”的概念，必須采用小型電池，并且進(jìn)一步改善其能效和電源管理。

高度整合的電子設備由于提供新的控制功能，催生了許多應用和多功能的使用場(chǎng)景，進(jìn)一步改善我們的生活環(huán)境。技術(shù)發(fā)展的腳步非?？焖?，可穿戴設備提供的可能性已經(jīng)涉及醫療領(lǐng)域。健康監測用的可穿戴設備能夠嚴格，且實(shí)時(shí)地控制重要的癥狀，從而為醫療專(zhuān)家提供通過(guò)云端存取監測數據的可能性。

一般可穿戴設備管理的信息量、可視化LED接口以及低功耗藍牙(BLE)通信協(xié)議都需要高效率的電源管理解決方案，才能實(shí)現更長(cháng)使用壽命的產(chǎn)品，同時(shí)使用能量采集技術(shù)提供充電的新機會(huì )?？纱┐髟O備已經(jīng)證實(shí)是使用能量采集技術(shù)的沃土，人們可以利用穿戴者的動(dòng)能產(chǎn)生電能，并為所穿戴設備中的電池直接充電，如圖1。

圖1：采用TI CC2541 SoC構建的可穿戴設備。

電源模式

設計師的首要考慮因素就在于優(yōu)化節能技術(shù)，充分發(fā)揮在一定時(shí)間內待機模式下的低功耗解決方案優(yōu)勢，并利用可能的物理中斷喚醒可穿戴設備，如振動(dòng)，或突然移動(dòng)。為了收集數據，健身設備可能工作在啟動(dòng)模式，但在未偵測到運動(dòng)時(shí)，則可進(jìn)入節能狀態(tài)，并盡可能地保持在睡眠或深度睡眠模式。

目前，緊湊型鋰離子電池技術(shù)是可穿戴設備的主要能源，然而，容量與電池的尺寸密切相關(guān)，而且經(jīng)過(guò)幾年的使用后容量也會(huì )大幅降低。

有效延長(cháng)電池壽命的一種方法是降低可穿戴設備內的諸多傳感器的功耗。所有的傳感器都有重要的作用，并工作在與電池電壓不同的電壓等級中，因此它們需要直流/直流(DC/DC)轉換器，如圖2。

圖2：多軌DC-DC配置

提高轉換效率直接影響電池的壽命。開(kāi)關(guān)穩壓器的選擇也是盡可能提高效率、為每步工作決定功耗級的關(guān)鍵因素之一。根據輸入與輸出的電壓，能以1mA的低靜態(tài)電流實(shí)現最大80%的效率。

與線(xiàn)性穩壓器相比，基于電感的DC/DC開(kāi)關(guān)型轉換器具有優(yōu)異的效率，因此是首選器件，但增加多個(gè)基于電感的開(kāi)關(guān)型穩壓器來(lái)滿(mǎn)足各個(gè)電壓要求的成本太高。當然也可以考慮使用多軌的DC-DC或開(kāi)關(guān)電容轉換器取代線(xiàn)性穩壓器，以提高整體效率并延長(cháng)電池壽命。

德州儀器(TI)的TPS82740A模塊專(zhuān)門(mén)設計用于滿(mǎn)足諸如智能手表等穿戴式裝置的電源要求。這種模塊采用“MicroSIP”技術(shù)(系統級封裝)，在面積僅6.7mm2的封裝內整合了開(kāi)關(guān)電容和輸入/輸出電感。如圖3所示的典型配置不需要任何外部元件。

圖3：采用經(jīng)典配置的TI TPS82740A模塊

TI模塊的工作原理采用了無(wú)縫轉換至節能模式的直接控制技(DCSControl)。該器件可工作在充電鋰離子電池或以鋰為主的電池(比Li-SOCl2、Li-MnO2)，或是采用兩個(gè)或三個(gè)堿性電池工作。輸入電壓最高5.5V，也允許從USB端口或薄膜太陽(yáng)能模塊(如果想利用能量采集技術(shù)的話(huà))取電工作。

熱能采集

使用熱電發(fā)生器(TEG)可以將熱能轉換為電能，其核心是熱電堆。從熱力學(xué)的原理來(lái)看，人類(lèi)皮膚上的熱能量無(wú)法有效地轉換為電能，即使人類(lèi)平均可以產(chǎn)生100W以上的能量。但我們假設大約1%到2%的低轉換效率，所取得的能量就足以使一個(gè)低功耗可穿戴設備正常工作。直接接觸皮膚放置的TEG可穿戴設備產(chǎn)生的熱電路可以用人體和環(huán)境的熱電阻加以描述。這些電阻串聯(lián)在一起，可代表熱電產(chǎn)生器的熱阻。

我們一直在產(chǎn)生熱，這是人體新陳代謝的副作用。然而，只有少部分的熱通過(guò)熱流和紅外線(xiàn)輻射耗散到周?chē)h(huán)境中，剩下的熱量則以水蒸汽的形式被抑制。另外，只有少部分的熱流可以被收集起來(lái)并儲存為能量。兩層之間產(chǎn)生的電壓幅度V取決于材料和溫度，并以塞貝克(Seebeck)系數S函數遵循線(xiàn)性關(guān)系。

正如我們所看到的，能量?jì)?yōu)化的同時(shí)，必須同時(shí)準確選擇各種元件，以及電源和只在必要時(shí)提供電源的智能電源管理系統。

設計低功耗系統時(shí)有許多需要考慮的因素：功耗、所需要的周期、電壓和總功耗。因此，所有的設計場(chǎng)景都必須仔細地加以規劃。

圖4：采用熱能采集技術(shù)的起搏器方塊圖