具超低靜態(tài)電流的 IC 有效地推動智能可穿戴式設備革命

背景

從谷歌眼鏡 (Google Glass) 到先進的健身活動追蹤器、頭戴式成像顯示器，再到血壓監(jiān)測儀，可穿戴式設備已經(jīng)進入了軍事、工業(yè)和高端消費電子產(chǎn)品市場。此類設備正在迅速地改進并且變得更加“聰明”。我們可以把“可穿戴式產(chǎn)品”定義為一種用戶長時間穿著并因此而在某種程度上改善用戶體驗的產(chǎn)品。智能型可穿戴式產(chǎn)品則給設備增添了連接和實施獨立處理的能力。據(jù)估計，可穿戴式設備市場的規(guī)模到 2018 年將增長到 1.3 億部 (資料來源：PwC，2014 年 10 月)。可穿戴式設備分為 5 個應用子類別：健身 / 健康 (活動監(jiān)測儀、健身腕帶、計步器和心率監(jiān)測儀)、保健 / 醫(yī)療 (脈搏血氧計、助聽器和血壓監(jiān)測儀)、信息娛樂 (智能眼鏡 / 護目鏡、智能手表和成像裝置)、軍事 (頭戴式顯示器、外骨骼和智能服裝) 和工業(yè) (體佩式終端) [資料來源：IHS Electronics and Media，2013 年]。推動這些類別之普及率逐步提高的市場因素各不相同。在健康和醫(yī)療區(qū)段中，其包括：預期壽命不斷延長、渴望延長健康的生活并減少住院時間。對于軍事領(lǐng)域，其為改善態(tài)勢感知、行軍地圖 / 路線、作戰(zhàn)效能和挽救生命的期盼。對于工業(yè)范疇，主要的推動因素是改善生產(chǎn)線效率和追蹤能力。最后，對于信息娛樂區(qū)段，這種推動力為尖端成像和虛擬現(xiàn)實技術(shù)導致的爆炸性游戲市場增長，以及越來越多能夠與智能手機實現(xiàn)無線連接以成為“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT) 之一部分的設備。

智能型可穿戴式設備的架構(gòu)及存在的問題

那么，智能型可穿戴式設備的“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”是怎么樣的呢? 把它想象成一種微型嵌入式系統(tǒng)。確切的分區(qū)顯然將取決于設備本身。不過一般來說，智能型可穿戴式設備的核心架構(gòu)是下列部分的組合：一個微處理器或微控制器或類似的 IC、某種類型的微機電傳感器 (MEMS)、小型機械執(zhí)行器、全球定位系統(tǒng) (GPS) IC、藍牙 / 蜂窩連接、成像電子線路、LED、計算資源、電池或電池組、以及支持電子線路。

可穿戴式裝置的首要目標是擁有緊湊外形和低重量以實現(xiàn)可穿著性 / 舒適性，并提供超低的能耗以延長電池運行時間。可穿戴式設備無疑是“低發(fā)熱量”(cool) 產(chǎn)品，不過，在以極小的吸收電流給電池充電的同時為其進行高效和準確的供電則完全是另一回事。與采用 IC 為智能型可穿戴式設備供電有關(guān)的一些主要問題如下：

l在電池供電型設備中，IC 的低電流消耗對于延長設備的運行時間是至關(guān)重要。理想的選擇是微功率、甚至毫微功率轉(zhuǎn)換。

l有些可穿戴式設備架構(gòu)采用的是多電池方案，例如：兩節(jié)鋰 (8.4V) 電池，而不是單節(jié)鋰電池 (4.2V)。這增加了電池容量并提供了更長的系統(tǒng)運行時間。然而，這需要使用一個較高電壓的 IC。

lMEMS 傳感器需要從安靜的穩(wěn)壓電源供電。處于工作狀態(tài)的執(zhí)行器也可能受益。LDO 因其具有低輸出紋波而非常適用于此類電源軌。

l藍牙 / RF 連接系統(tǒng)電源軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或者 (由于輸出電流可能很高) LDO 后置開關(guān)穩(wěn)壓器是一種不錯的選擇。

l處理器電源 (可穿戴式設備的“大腦”)。例如，TI OMAP、ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片或 FPGA 具有多種低電壓軌，其范圍從低電平至高電流。它們可以由 LDO 或開關(guān)穩(wěn)壓器來供電。

l電池需要看護和饋電，以避免因過度充電而導致電池循環(huán)壽命縮短。采用內(nèi)置充電終止算法的準確電池充電器可確保較長的電池壽命。

l緊湊的尺寸和低重量使得用戶在使用可穿戴式設備時感覺更加舒服。緊湊封裝中的 IC 可幫助實現(xiàn)小巧的解決方案占板面積，從而使設備擁有小外形。

l功能豐富的可穿戴式產(chǎn)品意味著需要很多的系統(tǒng)電源軌。多輸出穩(wěn)壓器或電源管理集成電路 (PMIC) 可以很好地滿足這種要求。最后，內(nèi)置電池充電器的緊湊型 IC 可提供較高的集成度和靈活性。

具超低靜態(tài)電流的 IC 解決方案

很明顯，可滿足應用需求并解決已討論之相關(guān)問題的 IC 解決方案應具備以下諸多特性：

l在工作模式和停機模式中均提供超低靜態(tài)電流

l寬輸入電壓范圍以適應多種電源

l能夠有效地為多個系統(tǒng)電壓軌供電

l準確的電池充電電壓以防止發(fā)生過度充電

l能夠為常見的電池化學組成 (例如：鋰) 充電

l利用內(nèi)置充電終止算法實現(xiàn)簡單和自主型充電操作 (無需微控制器)

l占板面積小巧的扁平解決方案

l可提供先進封裝以改善熱性能和空間效率

幸運的是，凌力爾特近期推出的超低 Iq LTC3388/-x 降壓型穩(wěn)壓器系列及其 LTC3553 組合式降壓穩(wěn)壓器和單節(jié)鋰電池充電器 PMIC 已經(jīng)擁有了大多數(shù)上述特性。

LTC3388 是一款超低靜態(tài)電流同步降壓型轉(zhuǎn)換器，該器件可從 2.7V 至 20V 輸入電源提供高達 50mA 的連續(xù)輸出電流。LTC3388 的無負載工作電流僅為 720nA，因而使其非常適合于眾多的電池供電型和低靜態(tài)功率應用，包括 “保持運作” 電源和可穿戴式產(chǎn)品。LTC3388 運用遲滯同步整流以在寬負載電流范圍內(nèi)優(yōu)化效率。它可為 15μA 至 50mA 的負載提供超過 90% 的效率，且在穩(wěn)定狀態(tài)時僅需 720nA 無負載靜態(tài)電流，從而延長了電池壽命。3mm x 3mm DFN 封裝 (或MSOP-10) 只要與 5 個外部組件相結(jié)合就能為多種低功率應用提供一個非常簡單和占板面積緊湊的解決方案。圖 1 示出了典型的 LTC3388 應用電路。

圖 1：LTC3388-1/-3 典型應用電路

為了實現(xiàn)更高的集成度 —— 采用 PMIC

LTC3553 是一款微功率多功能 PMIC 解決方案，其適用于基于鋰離子 / 鋰聚合物電池的便攜式應用。LTC3553 在緊湊型 3mm x 3mm QFN 封裝中集成了一個 USB 兼容的線性電源通路 (PowerPath™) 控制管理器、一個獨立的電池充電器、一個 200mA 高效率同步降壓型穩(wěn)壓器、一個 150mA 低壓差 LDO 和按鈕控制器，其典型應用電路請參閱圖 2。對于那些在備用模式中以低電流運作的應用，該 IC 的引腳可選備用模式把電池漏電流降至僅 12μA 左右，同時保持所有輸出處于穩(wěn)定狀態(tài)，詳見圖 3 所示的曲線圖。LTC3553 非常適用于個人導航設備 (PND)、媒體播放器、便攜式醫(yī)療和工業(yè)設備、以及其他采用小容量電池并具低功耗的小電池供電型便攜式設備應用。

圖 2：LTC3553 簡化應用原理圖

圖 3：LTC3553 電池漏電流運作

結(jié)論

目前，智能型可穿戴式設備市場呈爆炸性增長態(tài)勢，其包括了多種面向健康和健身、醫(yī)療、信息娛樂、軍事和工業(yè)應用領(lǐng)域的產(chǎn)品。智能型可穿戴式設備的核心架構(gòu)雖然取決于產(chǎn)品類型，但是基本上可歸結(jié)為一個微控制器、MEMS 傳感器、無線連接、電池和支持電子線路。可以證明，為低電流可穿戴式設備供電是非常具有挑戰(zhàn)性。不過，凌力爾特提供了一個規(guī)模龐大的領(lǐng)先產(chǎn)品庫，它們能夠在此類低功率級別上實現(xiàn)非常高的性能。超低 Iq LTC3388 能量收集降壓型穩(wěn)壓器以及旨在實現(xiàn)更高集成度的 LTC3553 鋰電池充電器和降壓穩(wěn)壓器 / LDO 組合式 PMIC 等器件能夠改善許多未來可穿戴式設備的工作壽命和總體性能。