136月 2015

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如何提高可穿戴设备的电池续航时间

轻薄、小巧是可穿戴设备的本质特性,正应为这些物理体积方面的先天制约,电池续航时间便成为了制约其发展的致命伤。按照目前技术来说,符合轻薄、小巧要求的电池有锂电池纽扣电池,这种电池对传感器和其他的小功率穿戴设备来说足够了,但它很难跟上越来越多的可穿戴设备的脚步,比如健康带和智能手表。现在大多数智能手表电池只够用一天。能量收集,无线充电,电池管理,电源管理和低消耗解决方案都是在可穿戴设计中提高续航的可选择方案。

Apple Watch 是苹果第一款可穿戴设备
Apple Watch 是苹果第一款可穿戴设备

 

能量收集电源管理

能量汲取来至身体,如体温和肢干的运动,或者来自环境如环境光线携带的仅微瓦到毫瓦单位的能量—不足以支撑智能手表的使用。德州仪器(TI)有一种设备,bq25570,它能把收集到的 300 到 400 毫瓦一下推到能给电池充电的 3 到 5V。虽然现在这不能产生足够智能手表工作的电量,但至少能延长工作时间。 “超低功耗高能量采集管理集成电路”如 bq25570,也包括一个提供能第二种电力运营系统的高效 nano-电源降压变换器。

传统电池充电(usb 或适配器)

我们当然可以给可穿戴设备的电池用传统方式充电,通过 usb 或适配器连接。TI 的新 bq25100 单电池锂电池充电器提供了一个微型解决方案几乎相当于现存电源方案的一半,同时它又能在成本敏感的可穿戴市场里支持低成本适配器的使用。充电器有高达 30V 的输入电压和 6.5V 的输入电压保护,除了其他的保护参数。

Maxim 的 MAX14676/76A 为可穿戴设备的电源充电管理提供了另一种选择。高度集成的 MAX14676/76A,我们可以把它描述为“可穿戴电源管理方案集成电路”,它不止包括线性的充电电路,也 包括延长续航时大量的低消耗能源管理周边节约主机板的空间。这些包括一个 1.8V 的低静态电流(lq) 200mA 的降压调节器,3.2V 的低静态电流 100mA 低压差线性稳压器(LDO),2.0V“永远打开”50μA LDO,+5V 安全输出 LDO,6.6V 低 Lq120μA 电荷泵,甚至 5V 到 17V 的输出激增转换器可支持广泛种 类的显示选项。

bq25100 和 MAX14676/76A 都能与无线电力接收器/发射器搭配,提供可穿戴设备设计的无线充电能力。

兼容 Qi 标准的无线充电方案

无线充电由于其便捷性变得很受穿戴设备的欢迎。和传统线性充电方式相比,消费者更倾向于直接把智 能手表放在无线充电基座上,而不是到处找充电线和插座并连接三者为智能手表充电。因此,许多的无线充电方案适用于种类丰富的产品。以下重点介绍了德州仪器的方案。

TI 提供了一个无线充电方案的前沿设计,TIDA-00318,可适用于低功率穿戴设备。这种方案可以搭配之 前我们介绍过的bq25100 单电池锂电池线性充电器,和一个 Qi compliant 无线电源接收器来满足整个 Qi compliant 无线充电方案。Qi 是一个无线充电设备的国际互通标准;任何 Qi 认证的无线电源接收设备,如 Moto 360 智能手表,能够在有 Qi 认证的所有基座上完成充电。因此,任何执行 TIDA-00318 的可穿 戴设备都该获得 Qi 认证在 Qi 充电基座上工作。TIDA-00318 为 135mA 充电规格而设计,而且体积很小, 仅为 5x15mm2。

对一个更小的可穿戴设备无线充电接收器方案,TI 有 TIDA-00329 参考设计。它只有 5.23mm x 5.48mm 合并了你bq51003 Qi compliant 无线电源接收器或 bq51050B/51B Qi compliant 无线充电。这种微型设 计能提供高达 2W 的电量。

在无线电源发射器上,或者可穿戴设备无线充电方案充电基座的一面,TI 提供了 TIDA-00334 参考设计。 在小型可穿戴设备发射器的设计上采用了 bq500212A IC。微型 usb 连接器的电源是 5V。低功率设计支 持接收器的输出功率高达 2.5W。

TIDA-00334无线发射器参考设计陈列在一个30mm的区域内,匹配Wurth coil760308101103的圆直径, 只比一个 15 分美元或 2 欧硬币大一点。

 

Wurth Elektronik's WE-WPCC 无线充电接受器线圈符合 WPC 的 Qi 标准
Wurth Elektronik’s WE-WPCC 无线充电接受器线圈符合 WPC 的 Qi 标准

 

可穿戴设备中的电源管理技术

超低功耗的电源转换是实现可穿戴设备最佳电源续航的关键。以下是一些最新的低功率产品或者高效直 流-直流转换产品。

TI 的 TPS727xx 系列,250mA LDOs 特色是有着极小的仅为 7.9μA 静态电流,低漏失电流(100mA 典 型电压为65mV,200mA 典型电压为 130mV,250mA 典型电压为 163mV),宽输出电压和负载瞬态响 应。LDO 还有一个特点是有着高电源电压抑制比(PSRR),在 RF 应用上有着 1kHz 70dB 的平稳表现, 有着小的低成本的 10μA 陶瓷电容器。

如今 TI 推出的还有 TPS82740B 200mA 升降压转换模块,能提供 95%的转换率,在工作时仅消耗 360nA lq,而安静时更仅为 70nA。小型模块可用于完全整合,合并了交换调整器,感应器和输入/输出电 容 9-bump MicroSiPTM组件,实现了仅6.7mm2 大小的尺寸。

升压转换通常不如降压转换有效率。不过,在各种系统电路中对电池升压很常见,尤其是显示电路, Maxim 有新 1A 升压转换器,MAX8627 能使单电池锂电池的输出电压从 3V 升高到 5V,并可实现高达 95%的转换率而只消耗 20μA lq。Silicon Labs 现在有 TS33x 升压转换器,拥有行业领导的低至 150nA 的 lq。TS33x 增加输入电压从 0.9V 到 3.6V,并且有 8 个可选择的范围为 1.8V 到 5V 的输出电压。

蓝牙,微控制器和其它低功率方案

事实上,当试图延长可穿戴设备电池续航时系统中的所有东西都需要考虑到一个常见的省电的方式就是关闭一些高耗电的功能,如一些处理和显示功能,例如智能手表、平板或电 脑。Bluetooth® Smart 或者叫低耗蓝牙,已经是大多数新智能手表中的标配,因此是可穿戴设备无线交 流方式标准。蓝牙也可用于从智能手机传送信息到智能手表,并且 TI 提供了一个“蓝牙可穿戴手表发展系统”叫做 TI Meta WatchTM 确保了相关手表设备的快速发展。Meta Watch SDK/API 使在手表上从手机应 用或网络服务上接受信息很容易。开发系统包括有显示屏的智能手表,和一个 3 ATM 防水不锈钢外壳, 皮带表,水晶镜面,震动电机,三轴加速计和环境光感应器。

Meta 手表平台已为低功耗优化,基于 TI16 位的 MSP430TM超低功率的微控制器 (MCU)和 CC2564 蓝牙 主控器界面方案。

选择 MCU 对可穿戴设备的电源管理很重要,高效的 MCU 能加速导入数据并迅速进入睡眠状态,保存电 量。低耗能睡眠模式能有效减少电源消耗。可穿戴设备的设计者比之前有更多 MCU 的选择,32 位比 16 位更有成本竞争力。为成本和功率敏感的 MCU 优化的 ARM 的 Cortex-M 系列 32 位处理器核心已经能预 见到在可穿戴市场的成功。从超低功耗的 Cortex-M0 和 M0+到高性能的 Cortex-M7,ARM Cortex-M 系 列可以提供能满足不同需求的各种穿戴设备。基于 ARM-Cortex-M 系列的 MCU 如今许多厂商都可提供, 包括德州仪器,和 STMMicroelectronics,有着 STM32 MCU 巨大的生产线,包括 STM32L1 和 L0 超低 功耗 MCU。

最后,一定要考虑到可穿戴设备中无数传感器的电源管理。传感器技术是加速可穿戴市场发展的催化剂。 但是我们不能忘记传感器的外围电路。STMicro 可用于有低功耗传感器信号调理的可穿戴传感器,它的 QA4NP 低功耗四通道运算放大器,每通道只消耗 580nA(在 1.8V 的电源供给下)。

以上只是对低功耗电源管理技术的管中窥豹,和产品协作来设计能满足可穿戴市场超低功耗电源系统是 激发这个市场的关键,有必要认识到超低功耗设备不仅对穿戴设备很重要,新的低耗技术对那些依赖电 池供电和能量收集供电的应用也很重要。

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