Steve Knoth

凌力爾特公司  電源產(chǎn)品部  高級產(chǎn)品市場工程師

背景信息

可穿戴設(shè)備不再僅是在炫酷的科幻電影中才能看到的東西 (感謝《007》、《少數(shù)派報告》、《至尊神探》這些電影！)，使用可穿戴設(shè)備也不再只是夢想，可穿戴設(shè)備已經(jīng)蔚然成風(fēng)。最初，可穿戴設(shè)備很簡單，例如走路或跑步計步器。不過，經(jīng)過短時間后，可穿戴設(shè)備就變得比較先進了，或者說更加智能了，包括更加重視外觀設(shè)計而不是只重視功能，因此增大了這類設(shè)備的總體吸引力。從智能服裝、谷歌眼鏡、先進的健身活動跟蹤器、虛擬現(xiàn)實設(shè)備、夜視設(shè)備到平視顯示器，可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為主流消費、軍用和工業(yè)市場的組成部分。“可穿戴設(shè)備”可定義為用戶可以長時間穿戴的產(chǎn)品，而且由于穿戴了這種產(chǎn)品，用戶體驗以某種方式得到了提升。“智能的”可穿戴設(shè)備增加了連接功能和獨立的數(shù)據(jù)處理功能?？纱┐髟O(shè)備分成 5 種應(yīng)用子類：健身 / 健康 (活動監(jiān)視器、健身腕帶、腳踏計和心率監(jiān)視器)；信息娛樂 (智能眼鏡/防護鏡、智能手表和成像設(shè)備)；軍用 (夜視設(shè)備、平視顯示器、人體外骨骼和智能服裝)；工業(yè) (可穿戴終端) [信息來源：HIS Electronics and Media，2013]。這些應(yīng)用的采用率是由不同的市場驅(qū)動力推動的。就軍事應(yīng)用而言，驅(qū)動力是希望改善情境識別能力、地圖 / 路線、戰(zhàn)斗效率以及挽救生命。就工業(yè)應(yīng)用而言，主要的驅(qū)動力是提高生產(chǎn)線效率和追蹤能力。就信息娛樂應(yīng)用而言，驅(qū)動力來自采用尖端成像和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的持續(xù)爆炸性增長之游戲市場，以及越來越多能夠無線連接智能手機以使其成為“物聯(lián)網(wǎng) (IoT)”組成部分的設(shè)備。最后，就健康和醫(yī)療市場而言，主要的驅(qū)動力包括：預(yù)期壽命延長、削減醫(yī)療保險費用不斷上漲、以及延長健康生活時間和減少住院。

運用生物統(tǒng)計信息實現(xiàn)健康生活

生物統(tǒng)計信息反映的是人體基本功能的生命體征。這類信息包括體溫、脈搏 / 心率、呼吸頻率和血壓。這些信息至關(guān)重要，因為生命體征出現(xiàn)負(fù)面變化可能表示健康度下降，反之亦然。顯然，醫(yī)院和醫(yī)生診室都配備了昂貴的設(shè)備，以測量這些生物統(tǒng)計信息。不過，如果這些生物統(tǒng)計信息能夠高效、低成本地在醫(yī)療環(huán)境以外測量，那么生活質(zhì)量就有可能得到很大的改善。例如，在家中或者在工作環(huán)境中，可以隨時隨地實時地改變生活方式和行為方式，從而改善健康度，并有可能延長甚至挽救生命。幸運的是，由于設(shè)備價格降低和傳感器技術(shù)改進，用于醫(yī)療保健目的的智能可穿戴設(shè)備出現(xiàn)了激增。這其中包括較簡單和可以附著在身體上的“單體征”檢測產(chǎn)品，也包括較復(fù)雜、充滿傳感器且覆蓋全身的人體外骨骼。不過，從集成電路 (IC) 電子組件的角度來看，給這些可穿戴設(shè)備分區(qū)并為其高效率供電并非微不足道之事。為了進一步理解這一點，我們接下來深入剖析典型的智能可穿戴設(shè)備。

典型智能可穿戴設(shè)備

典型智能可穿戴設(shè)備包括哪些功能? 人們可能會把這種設(shè)備看成微型嵌入式系統(tǒng)。顯然，準(zhǔn)確分區(qū)取決于設(shè)備自身，不過，一般而言，智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)由以下各部分組成：

• 一個微處理器或微控制器或類似的 IC

• 某些種類的微型機電傳感器 (MEMS)

• 小型機械致動器

• 全球定位系統(tǒng) (GPS) IC

• 藍牙 / 蜂窩 / Wi-Fi 連接，以收集 / 處理和同步數(shù)據(jù)

• 成像電子組件，LED

• 計算資源

• 可充電或主 (非可充電) 電池或電池組

• 支持性電子組件

可穿戴產(chǎn)品的主要設(shè)計目標(biāo)通常是實現(xiàn)緊湊的外形尺寸、輕重量以實現(xiàn)可穿戴性 / 舒適性、以及超低的能耗以延長電池運行時間 / 壽命。不過，用最小的電流、高效率、準(zhǔn)確地給這類設(shè)備供電并不那么簡單。與智能可穿戴設(shè)備供電有關(guān)的一些關(guān)鍵問題如下：

1. 在電池供電設(shè)備中，電源管理 IC 能否消耗很小的電流對延長運行時間至關(guān)重要。微功率或毫微功率轉(zhuǎn)換 IC 是必要的。

2. MEMS 傳感器要求用噪聲很低的穩(wěn)定電源供電。繁忙的致動器也可以受益。LDO 或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合這種軌，因為這些穩(wěn)壓器具很低的輸出噪聲。

3. 藍牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窩連接系統(tǒng)軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或 (因為輸出電流可能很大) LDO 后穩(wěn)壓開關(guān)穩(wěn)壓器或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器都是極好的選擇。

4. 處理器 (可穿戴設(shè)備的“大腦”) 電源。從 ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片到 FPGA，都需要各種低壓軌，以全方位涵蓋各種大小的電流。這些組件可以由 LDO 或開關(guān)穩(wěn)壓器供電。

5. 不是所有可穿戴設(shè)備都由可充電電池供電，有些也許使用主 (非可充電) 電池，而這類電池需要在兩次更換之間提供較長的運行時間，因此，找到估計電池運行時間的方法是關(guān)鍵。

6. 緊湊的尺寸和很輕的重量使可穿戴設(shè)備更舒適易用。采用緊湊型封裝的 IC 可構(gòu)成占板面積很小的解決方案，從而使設(shè)備既能夠具有小的外形尺寸、重量又很輕。

超低靜態(tài)電流 IC 解決方案

顯然，滿足可穿戴應(yīng)用需求的 IC 解決方案以及上面討論的相關(guān)問題應(yīng)該具備以下特性：

• 超低靜態(tài)電流，無論是運行模式還是停機模式

• 很寬的輸入電壓范圍，以適合各種電源

• 能夠高效率給系統(tǒng)軌 (有些具 >5V 的較高電壓) 供電

• 能夠準(zhǔn)確地進行庫倫計數(shù)以確定電池運行時間，且不會顯著影響 IC 靜態(tài)電流 (電池消耗電流)

• 占板面積很小、重量很輕的扁平解決方案

• 先進的封裝以可改善熱性能和空間利用率

幸運的是，凌力爾特公司最近推出了一些產(chǎn)品，例如超低 I_Q LTC3388/-x 降壓型穩(wěn)壓器、毫微功率 LTC3331 能量收集穩(wěn)壓器以及集成了庫倫計數(shù)器的 LTC3335 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器都已經(jīng)具備了大部份這些特性。

LTC3388 是一款超低靜態(tài)電流同步降壓型轉(zhuǎn)換器，在 2.7V 至 20V 輸入電源電壓范圍內(nèi)，可提供高達 50mA 連續(xù)輸出電流。LTC3388 的無負(fù)載工作電流僅為 720nA，從而使該器件非常適合多種電池供電的低靜態(tài)電流電源應(yīng)用，例如“持續(xù)運作型”電源和可穿戴設(shè)備。其遲滯同步整流在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)優(yōu)化了效率。針對 15µA 至 50mA 的負(fù)載而言，該器件還提供超過 90% 的效率，且在穩(wěn)定時僅需要 720nA 無負(fù)載靜態(tài)電流，因此延長了電池壽命。LTC3388 采用 3mm x 3mm DFN 封裝 (或 MSOP-10)，僅需 5 個外部組件，因此能夠為多種低功率應(yīng)用構(gòu)成非常簡便和占板面積非常緊湊的解決方案。圖 1 顯示了 LTC3388 的典型應(yīng)用電路。

圖 1：簡便的 LTC3388-1 典型低壓應(yīng)用電路

毫微功率靜態(tài)電流 IC

LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置了精確的庫倫計數(shù)器，提供高達 50mA 連續(xù)輸出電流。該器件具僅為 680nA 的靜態(tài)電流，可編程峰值輸入電流從低至 5mA 直至 250mA，非常適合多種低功率電池應(yīng)用，例如在可穿戴設(shè)備和 IoT 設(shè)備中見到的那些應(yīng)用。其 1.8V 至 5.5V 輸入電壓范圍和 8 個 1.8V 至 5V 的用戶可選輸出允許在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓時，提供穩(wěn)定的輸出電源。此外，該器件集成的精確 (±5% 電池放電測量準(zhǔn)確度) 庫倫計數(shù)器可在長壽命不可再充電的電池供電應(yīng)用中，對累積電池放電提供準(zhǔn)確監(jiān)視，這類應(yīng)用在很多情況下具極其平坦的電池放電曲線。典型應(yīng)用包括無線傳感器、遠程監(jiān)視器和凌力爾特的 Dust Networks^® SmartMesh^® 系統(tǒng)。LTC3335 包含 4 個內(nèi)部低 R_DSON MOSFET，可提供高達 90% 的效率。其他特點包括一個可編程放電報警門限、一個用于存取庫倫計數(shù)值和器件設(shè)定的 I²C 接口、一個電源良好輸出和 8 個 5mA 至 250mA 的可選峰值輸入電流以適合多種類型和尺寸的電池。采用耐熱增強型 20 引線 3mm x 4mm QFN 封裝的 LTC3335 的工作結(jié)溫范圍為 -40°C 至 +125°C。圖 2 顯示了 LTC3335 的典型應(yīng)用電路。

圖 2：簡化的 LTC3335 應(yīng)用原理圖

LTC3331 是一款完整的能量收集解決方案，提供高達 50mA 連續(xù)輸出電流，當(dāng)可收集能量可用時能延長電池壽命。簡便的 10mA 分流器用收集的能量給可充電電池充電，同時低電池電量斷接功能保護電池免于深度放電。當(dāng)用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時，該器件僅需要電池提供 200nA 電源電流，當(dāng)在無負(fù)載情況下由電池供電時，僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個高壓能量收集電源、一個電池充電器和一個同步降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可為能量收集應(yīng)用提供一個持續(xù)穩(wěn)定的輸出，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量收集應(yīng)用。能量收集電源由適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和高效率降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電 (AC)、太陽能 (DC)、或磁性 (AC) 能源收集能量。當(dāng)沒有收集能量可用時，可充電電池輸入給降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在直至 4.2V 的整個電池電壓范圍內(nèi)運行，無論輸入高于、低于或等于輸出，都可調(diào)節(jié)輸出。當(dāng)收集能源不再可用時，LTC3331 自動轉(zhuǎn)換至電池。LTC3331 的能量收集輸入在 3V 至 19V  AC 或 DC 電壓范圍內(nèi)運行，從而使該器件非常適合多種壓電、太陽能或磁性能源。其輸入欠壓閉鎖門限設(shè)定是可編程的，范圍為 3V 至 18V，從而使應(yīng)用能夠在峰值功率傳送點上運行能量收集電源。其他特點包括引腳可編程輸出電壓和降壓-升壓峰值電流限制、一個超級電容器平衡器和一個輸入保護性分路器。LTC3331 采用耐熱增強型 5mm x 5mm QFN 封裝。圖 3 顯示了 LTC3331 的典型應(yīng)用電路。

圖 3：LTC3331 的典型應(yīng)用電路

結(jié)論

智能可穿戴設(shè)備不再僅是虛構(gòu)的電影小工具，智能可穿戴設(shè)備市場正處于爆炸性增長，這個市場涵蓋多種強調(diào)設(shè)計美觀和功能的產(chǎn)品，以及面向健康和健身、醫(yī)療、信息娛樂、軍事和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品。例如，充滿傳感器的醫(yī)療保健可穿戴產(chǎn)品可在醫(yī)療設(shè)施外外監(jiān)視關(guān)鍵的生物統(tǒng)計信息，例如心率和血壓，為擁有更積極、更健康的生活方式創(chuàng)造了機會。智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)取決于產(chǎn)品類型，但本質(zhì)上都是由微控制器、MEMS 傳感器、無線連接、電池和支持性電子組件組成。給小電流可穿戴設(shè)備高效率供電可以證實是非常有挑戰(zhàn)性的，不過凌力爾特提供了一系列領(lǐng)先的、能夠以低功率提供非常高性能的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)幫助促進了可穿戴設(shè)備市場的增長。諸如超低 Iq LTC3388 能量收集降壓型穩(wěn)壓器以及毫微功耗的 LTC3331 能量收集降壓型穩(wěn)壓器和集成了庫倫計數(shù)器的 LTC3335 降壓-升壓型穩(wěn)壓器等器件，都可以顯著地簡化和改善智能可穿戴設(shè)備的性能。