可穿戴技術(shù)利用低功率轉換保障身體健康

摘要：本文分析了典型的可穿戴設備的設計要點(diǎn)，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(jiǎn)單的可穿戴設備，似乎一夜之間就變得更先進(jìn)或智能化了。從面向聽(tīng)障人士的語(yǔ)音振動(dòng)轉換背心、先進(jìn)的健身活動(dòng)跟蹤器到夜視設備甚至平視成像顯示器，可穿戴設備已經(jīng)成為消費類(lèi)、軍用和工業(yè)市場(chǎng)的一部分?！翱纱┐鳟a(chǎn)品” 可定義為具備以下特點(diǎn)的產(chǎn)品：用戶(hù)穿戴在身上較長(cháng)時(shí)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)能力和獨立數據處理能力?？纱┐鳟a(chǎn)品從應用上分成 5 種類(lèi)別：健身 / 保健 (活動(dòng)監視器、健身帶、足部傳感器和心率監視器);信息娛樂(lè ) (智能眼鏡 / 護目鏡、智能腕表和成像設備);軍用 (夜視設備、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(lái)源：2013 IHS Electronics and Media]。這些產(chǎn)品的采用率是由不同的市場(chǎng)力量驅動(dòng)的。就軍用類(lèi)別而言，人們希望的是提高作戰效能以及對周?chē)闆r的感知、地圖 / 路徑識別和拯救生命的能力。工業(yè)類(lèi)別的主要驅動(dòng)力是提高生產(chǎn)線(xiàn)效率和跟蹤能力。對于信息娛樂(lè )類(lèi)別則是采用尖端成像及虛擬現實(shí)技術(shù)以持續爆炸性增長(cháng)游戲市場(chǎng)，以及日益增加并能夠無(wú)線(xiàn)連接智能手機以成為 “物聯(lián)網(wǎng) (IoT)” 組成部分的設備。最后，保健與醫療市場(chǎng)的主要驅動(dòng)力包括：平均壽命延長(cháng)、限制不斷上升的醫療和保險費用、希望保持健康生活以及縮短住院時(shí)間。

有關(guān)健康的生物統計數據

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

典型的智能可穿戴設備

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

　　● 一個(gè)微處理器或微控制器或類(lèi)似 IC;

　　● 某些微型機電傳感器 (MEMS);

　　● 小型機械傳動(dòng)器;

　　● 全球定位系統 (GPS) IC;

　　● 藍牙 / 蜂窩 / Wi-Fi 連接以收集 / 處理和同步數據;

　　● 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。

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

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

　　(2)MEMS 傳感器需要用穩定和低噪聲的電源供電。動(dòng)作頻繁的傳動(dòng)器也能從中受益。LDO 或低紋波開(kāi)關(guān)穩壓器非常適合這類(lèi)軌，因為這類(lèi)穩壓器具備很低的輸出噪聲。

　　(3)藍牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窩連接系統電源軌也要求低噪聲。低壓差穩壓器或 LDO 后置調節開(kāi)關(guān)穩壓器 (因輸出電流可能很高) 或低紋波開(kāi)關(guān)穩壓器是非常好的選擇。

　　(4)處理器 (可穿戴設備的 “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(gè)電流范圍。這些芯片可以由 LDO 或開(kāi)關(guān)穩壓器供電。

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

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