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可穿戴设备:满足卓越电源管理的需求

工程师在可穿着技巧领域中必须要面对的主要设计问题是整体紧凑性和功率预算。可穿着设备的小巧设计将使佩戴者加倍舒适,而低落功率耗损将有助于可穿着设备长光阴运行。这两种技巧都在获得越来越多采纳,然则,这两种属性可能会对彼此孕育发生晦气影响。

虽然微电子元件的物理尺寸正在减小,但其繁杂程度却在赓续前进,是以可以供给新的特点和功能,进而对可用的电池能量造成压力。所采纳的电池治理技巧必须能够供给快速充电功能,同时使可穿着设备能够运行足够长的光阴以避免频繁充电,由于频繁充电将对用户体验孕育发生晦气影响。这必要在电源治理集成电路PMIC)方面的立异。

当今的可穿着设备容许佩戴者监视各类紧张参数。根据设备的详细目标,某些参数可能比其他更为紧张。设备处在身段上的位置基础抉择了哪些参数可以丈量,哪些不能丈量。平日,最相宜的位置是手法,由于该位置是用于监控康健/健身相关参数的最佳点,并且还为佩戴者供给了反省获取数据的便利造访。

显然,设计师的寻衅在于找到一种措施来支持超低功耗运行,同时也能够实现紧凑的形状。流线型、轻巧的设计对付破费者最具吸引力,也具有更大年夜的商业代价。是以,工程师必须在产品开拓阶段切记这一点。然则,可穿着设备的布局限定了所应用的电池的尺寸,并是以限定了运行持续光阴,而对付破费者,一个最不好的体验是那些没有足够长电池寿命的产品。

电源治理设计:高效能源治理

因为受可穿着设备形状尺寸限定,电池的大年夜小也响应受到限定,因而要保持系统最低功耗水平,这使设计团队在选择相宜电路结构,以得到完全优化的终极产品方面极为艰苦。可穿着设备必须能够包孕不合的多媒体和感测能力,并具有足够的电池能量,同时不会太粗笨。平日应用的设计措施是根据特定的功率需求将设计划分为模拟和数字模块,然后对它们进行响应地优化。许多电路区块在不必要时可以停用,但有些电路区块则必要继续运行。

一个范例的可穿着架构包括以下元件:微节制器、存储器、小型显示器、适当的传感器、通信IC和伴随的电源治理电路。电源治理方面将包括认真充电的PMIC,以及各类降压转换器和几个低压差(LDO)电压稳压器,以及对付蓝牙/Wi-Fi连接的支持。

可穿着设备的电源治理系统必要覆盖多个电压轨,一个用于微节制器,一个用于显示器,还有一个用于传感器。微节制器和传感器会有大年夜部分光阴处于就寝模式,必要唤醒以履行预定功能或响利用户的输入。许多可穿着设备的传感器事情电压高达0.8V。假如负载异常生动(例如心脏传感器每隔几秒钟履行一次采样),微节制器的电流耗损平日预计在每MHz 35μA到40μA之间,是以在探求支持超低功耗的设计时,必要极大年夜地关注这一点。

图1:一种可穿着设备的范例电路架构。(滥觞:瑞萨

电源治理系统以两种不合的形式履行DC/DC电源转换:

·经由过程线性稳压器,这种线性稳压器可以完全集成到PMIC芯片中,并具有电压可扩展性。

·经由过程基于电感开关稳压器,这种要领具有异常高的效率,且具有电压可扩展性,但每每是采纳分立元件,而不是集成要领。

这些稳压器在物理尺寸、机动性、效率等方面存在差异。是以,在开始启动一个可穿着技巧的设计项目时,应斟酌以下几点:

·运器具备超低IQ的稳压器可能对拍照宜,由于它们会低落“始终事情”的传感器或外围设备的待机功率。这些有助于延长电池寿命,并支持应用更小的电池。

·高效的稳压器可以显明低落有功功率,即当可穿着设备正在应用,并进行丈量或进行数据传输时的功率。

·在具有严格空间限定的项目中,高集成度能够实现繁杂的电源架构。

选择相宜的电压稳压器是实现更高效率的关键身分,此外还必要评估事情模式和待机模式下的功耗。运器具有强阻抗匹配的接口有助于维持低电流要求,并延长电池寿命。市场上有一些尖真个LDO节制器,此中包括瑞萨的ISL9016,它每个通道可供给高达150mA的电流,该器件具有高达200mΩ的静态电阻(ESR),而静态电流畅常约为60μA。

图2:瑞萨的ISL9016 LDO节制器。(滥觞:瑞萨)

图3:Maxim Integrated的MAX77650降压-升压稳压器。(滥觞:Maxim Integrated)

虽然开关设置设置设备摆设摆设比应用LDO具有更高效率,但它必要各类电感器来供给不合的电压轨,这会增大年夜资源和尺寸,是以在可穿着设计中基础上不切实际。既不能增大年夜元件数量和材料清单资源,也弗成占用更多的电路板空间,能够满意这种要求的首选电源治理架构是单电感器多输出(SIMO)。

来自Maxim Integrated 的MAX77650的SIMO降压-升压稳压器IC具有单个电感器,可根据电路要求在较宽范围内调节多达三个输出电压。因为可打消对某些分立元件的需求,该器件可以显明节省空间。

电池容量与产品尺寸

可穿着设备的一个范例设计寻衅是在各类不合利用处景下维持长电池寿命。智妙腕表平日仅有用于单节锂离子电池的空间,电压为3.8V,容量在130mAh至410mAh之间。锂离子电池是小型可充电电池最常用的化学电池,而电池治理和充电系统的目标是在充电和运行时代仔细监控电流、电压和温度,其主要寻衅是最大年夜限度地低落系统本身的功耗水平,削减充电所需的光阴,并使可用的电池电量最大年夜化。德州仪器TI)高集成度BQ25100专为单节锂离子电池充电而设计,容许运器具有非稳定输出的低资源收集适配器。该PMIC还可用于锂聚合物等其他化学因素电池。

与其他电池技巧比拟,虽然锂离子电池盘踞了更多市场份额,但这种技巧在功率、尺寸和轮回次数等方面永世无法与超级电容器竞争。跟着可穿着设备变得越来越小,其内部空间变得越来越宝贵。今朝的一种趋势是用超级电容器取代可充电电池,从而供给一种基于纳米技巧的新能量存储要领。与电池不合,超级电容器能够很好地适应能量网络装配,并可在几秒钟内充电,它们还可以遭遇险些无限次的充电轮回周期。Murata的超薄DMH超级电容器容量为35mF,标称电压为4.5V,ESR为300mΩ,所有均处于一个20mm x 20mm x 0.4mm封装内。

今朝也正在钻研一些新的能量网络办理规划,以作为永远应用可穿着设备的帮助能源,从而不再有与超低功耗设计相关的限定。一种有趣的措施是经由过程使用不合材料层的相对运动来孕育发生小电流,这一历程称为摩擦带电(triboelectric charging)。材料在有彼此相对运动时孕育发生摩擦,因而得到电荷。在两个导电电极之间放置不合材料层,可以经由过程日凡人体运动孕育发生几μW的功率,能够为可穿着设备的电池充电,从而优化电源系统的运行。

结论

专用且越来越高效硬件的呈现正在将可穿着市场引向大年夜批量的移动设备。Microchip和Analog Devices(ADI)等公司供给的新型PMIC以及专用SoC将使最新一代可穿着设备在能效、谋略能力和紧凑性等方面找到适当的平衡点。假如电子设备必要达到耳机或医疗贴片一样的体积大年夜小,其电池容量将受到极大年夜限定,经由过程实施广泛的工程措施可以找到延长电池寿命的最佳办理规划,从而节省每个μA的可用能量。

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