可穿戴设备：满足卓越电源管理的需求

工程师在可穿戴技术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。可穿戴设备的小巧设计将使佩戴者更加舒适，而降低功率消耗将有助于可穿戴设备长时间运行。这两种技术都在得到越来越多采用，但是，这两种属性可能会对彼此产生不利影响。

虽然微电子元件的物理尺寸正在减小，但其复杂程度却在不断提高，因此可以提供新的特性和功能，进而对可用的电池能量造成压力。所采用的电池管理技术必须能够提供快速充电功能，同时使可穿戴设备能够运行足够长的时间以避免频繁充电，因为频繁充电将对用户体验产生不利影响。这需要在电源管理集成电路（pMIC）方面的创新。

当今的可穿戴设备允许佩戴者监视各种重要参数。根据设备的具体目标，某些参数可能比其他更为重要。设备处在身体上的位置基本决定了哪些参数可以测量，哪些不能测量。通常，最合适的位置是手腕，因为该位置是用于监控健康/健身相关参数的最佳点，并且还为佩戴者提供了检查获取数据的便利访问。

显然，设计师的挑战在于找到一种方法来支持超低功耗运行，同时也能够实现紧凑的外形。流线型、轻巧的设计对于消费者最具吸引力，也具有更大的商业价值。因此，工程师必须在产品开发阶段牢记这一点。但是，可穿戴设备的结构限制了所使用的电池的尺寸，并因此限制了运行持续时间，而对于消费者，一个最不好的体验是那些没有足够长电池寿命的产品。

由于受可穿戴设备外形尺寸限制，电池的大小也相应受到限制，因而要维持系统最低功耗水平，这使设计团队在选择合适电路布局，以获得完全优化的最终产品方面极为困难。可穿戴设备必须能够包含不同的多媒体和感测能力，并具有足够的电池能量，同时不会太笨重。通常使用的设计方法是根据特定的功率需求将设计划分为模拟和数字模块，然后对它们进行相应地优化。许多电路区块在不需要时可以停用，但有些电路区块则需要连续运行。

一个典型的可穿戴架构包括以下元件：微控制器、存储器、小型显示器、适当的传感器、通信IC和伴随的电源管理电路。电源管理方面将包括负责充电的pMIC，以及各种降压转换器和几个低压差（LDO）电压稳压器，以及对于蓝牙/Wi-Fi连接的支持。

可穿戴设备的电源管理系统需要覆盖多个电压轨，一个用于微控制器，一个用于显示器，还有一个用于传感器。微控制器和传感器会有大部分时间处于睡眠模式，需要唤醒以执行预定功能或响应用户的输入。许多可穿戴设备的传感器工作电压高达0.8V。如果负载非常活跃（例如心脏传感器每隔几秒钟执行一次采样），微控制器的电流消耗通常估计在每MHz35μA到40μA之间，因此在寻找支持超低功耗的设计时，需要极大地关注这一点。

图1：一种可穿戴设备的典型电路架构。（来源：瑞萨）

电源管理系统以两种不同的形式执行DC/DC电源转换：

·通过线性稳压器，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。

·通过基于电感的开关稳压器，这种方式具有非常高的效率，且具有电压可扩展性，但往往是采用分立元件，而不是集成方式。

这些稳压器在物理尺寸、灵活性、效率等方面存在差异。因此，在开始启动一个可穿戴技术的设计项目时，应考虑以下几点：

·使用具备超低IQ的稳压器可能比较合适，因为它们会降低“始终工作”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，并支持使用更小的电池。

·高效的稳压器可以显著降低有功功率，即当可穿戴设备正在使用，并进行测量或进行数据传输时的功率。

·在具有严格空间限制的项目中，高集成度能够实现复杂的电源架构。

选择合适的电压稳压器是实现更高效率的关键因素，此外还需要评估工作模式和待机模式下的功耗。使用具有强阻抗匹配的接口有助于保持低电流要求，并延长电池寿命。市场上有一些尖端的LDO控制器，其中包括瑞萨的ISL9016，它每个通道可提供高达150mA的电流，该器件具有高达200mΩ的静态电阻（ESR），而静态电流通常约为60μA。

图2：瑞萨的ISL9016LDO控制器。（来源：瑞萨）

图3：MaximIntegrated的MAX77650降压-升压稳压器。（来源：MaximIntegrated）

虽然开关配置比使用LDO具有更高效率，但它需要各种电感器来提供不同的电压轨，这会增大成本和尺寸，因此在可穿戴设计中基本上不切实际。既不能增大元件数量和材料清单成本，也不可占用更多的电路板空间，能够满足这种要求的首选电源管理架构是单电感器多输出（SIMO）。

来自MaximIntegrated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。由于可消除对某些分立元件的需求，该器件可以显著节省空间。

可穿戴设备的一个典型设计挑战是在各种不同应用场景下保持长电池寿命。智能手表通常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，而电池管理和充电系统的目标是在充电和运行期间仔细监控电流、电压和温度，其主要挑战是最大限度地降低系统本身的功耗水平，减少充电所需的时间，并使可用的电池电量最大化。德州仪器（TI）高集成度BQ25100专为单节锂离子电池充电而设计，允许使用具有非稳定输出的低成本网络适配器。该pMIC还可用于锂聚合物等其他化学成分电池。

与其他电池技术相比，虽然锂离子电池占据了更多市场份额，但这种技术在功率、尺寸和循环次数等方面永远无法与超级电容器竞争。随着可穿戴设备变得越来越小，其内部空间变得越来越宝贵。目前的一种趋势是用超级电容器取代可充电电池，从而提供一种基于纳米技术的新能量存储方式。与电池不同，超级电容器能够很好地适应能量收集装置，并可在几秒钟内充电，它们还可以承受几乎无限次的充电循环周期。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20mmx20mmx0.4mm封装内。

目前也正在研究一些新的能量收集解决方案，以作为永久使用可穿戴设备的辅助能源，从而不再有与超低功耗设计相关的限制。一种有趣的方法是通过利用不同材料层的相对运动来产生小电流，这一过程称为摩擦带电（triboelectriccharging）。材料在有彼此相对运动时产生摩擦，因而获得电荷。在两个导电电极之间放置不同材料层，可以通过日常人体运动产生几μW的功率，能够为可穿戴设备的电池充电，从而优化电源系统的运行。

结论

专用且越来越高效硬件的出现正在将可穿戴市场引向大批量的移动设备。Microchip和AnalogDevices（ADI）等公司提供的新型pMIC以及专用SoC将使最新一代可穿戴设备在能效、计算能力和紧凑性等方面找到适当的平衡点。如果电子设备需要达到耳机或医疗贴片一样的体积大小，其电池容量将受到极大限制，通过实施广泛的工程方法可以找到延长电池寿命的最佳解决方案，从而节省每个μA的可用能量。