可穿戴系統電源管理的優化策略

今天，可穿戴設備不再只是一些小玩具了，它還包括許多醫療領域使用的健康監測工具。影響可穿戴設備市場普及的障礙在于其能源自主性：為了加強“可穿戴”的概念，必須采用小型電池，并且進一步改善其能效和電源管理。

可穿戴設備市場的增長日益強勁，預計未來幾年內銷售量將達6億，并且隨著物聯網(IoT)的崛起和即將到來的工業4.0，未來的發展越來越樂觀。今天，可穿戴設備不再只是一些小玩具了，它還包括許多醫療領域使用的健康監測工具。

影響可穿戴設備市場普及的障礙在于其能源自主性：為了加強“可穿戴”的概念，必須采用小型電池，并且進一步改善其能效和電源管理。

高度整合的電子設備由于提供新的控制功能，催生了許多應用和多功能的使用場景，進一步改善我們的生活環境。技術發展的腳步非常快速，可穿戴設備提供的可能性已經涉及醫療領域。健康監測用的可穿戴設備能夠嚴格，且實時地控制重要的癥狀，從而為醫療專家提供通過云端存取監測數據的可能性。

一般可穿戴設備管理的信息量、可視化LED接口以及低功耗藍牙(BLE)通信協議都需要高效率的電源管理解決方案，才能實現更長使用壽命的產品，同時使用能量采集技術提供充電的新機會。可穿戴設備已經證實是使用能量采集技術的沃土，人們可以利用穿戴者的動能產生電能，并為所穿戴設備中的電池直接充電，如圖1。

圖1：采用TI CC2541 SoC構建的可穿戴設備。

電源模式

設計師的首要考慮因素就在于優化節能技術，充分發揮在一定時間內待機模式下的低功耗解決方案優勢，并利用可能的物理中斷喚醒可穿戴設備，如振動，或突然移動。為了收集數據，健身設備可能工作在啟動模式，但在未偵測到運動時，則可進入節能狀態，并盡可能地保持在睡眠或深度睡眠模式。

目前，緊湊型鋰離子電池技術是可穿戴設備的主要能源，然而，容量與電池的尺寸密切相關，而且經過幾年的使用后容量也會大幅降低。

有效延長電池壽命的一種方法是降低可穿戴設備內的諸多傳感器的功耗。所有的傳感器都有重要的作用，并工作在與電池電壓不同的電壓等級中，因此它們需要直流/直流(DC/DC)轉換器，如圖2。

圖2：多軌DC-DC配置

提高轉換效率直接影響電池的壽命。開關穩壓器的選擇也是盡可能提高效率、為每步工作決定功耗級的關鍵因素之一。根據輸入與輸出的電壓，能以1mA的低靜態電流實現最大80%的效率。

與線性穩壓器相比，基于電感的DC/DC開關型轉換器具有優異的效率，因此是首選器件，但增加多個基于電感的開關型穩壓器來滿足各個電壓要求的成本太高。當然也可以考慮使用多軌的DC-DC或開關電容轉換器取代線性穩壓器，以提高整體效率并延長電池壽命。

德州儀器(TI)的TPS82740A模塊專門設計用于滿足諸如智能手表等穿戴式裝置的電源要求。這種模塊采用“MicroSIP”技術(系統級封裝)，在面積僅6.7mm2的封裝內整合了開關電容和輸入/輸出電感。如圖3所示的典型配置不需要任何外部元件。

圖3：采用經典配置的TI TPS82740A模塊

TI模塊的工作原理采用了無縫轉換至節能模式的直接控制技(DCSControl)。該器件可工作在充電鋰離子電池或以鋰為主的電池(比Li-SOCl2、Li-MnO2)，或是采用兩個或三個堿性電池工作。輸入電壓最高5.5V，也允許從USB端口或薄膜太陽能模塊(如果想利用能量采集技術的話)取電工作。

熱能采集

使用熱電發生器(TEG)可以將熱能轉換為電能，其核心是熱電堆。從熱力學的原理來看，人類皮膚上的熱能量無法有效地轉換為電能，即使人類平均可以產生100W以上的能量。但我們假設大約1%到2%的低轉換效率，所取得的能量就足以使一個低功耗可穿戴設備正常工作。直接接觸皮膚放置的TEG可穿戴設備產生的熱電路可以用人體和環境的熱電阻加以描述。這些電阻串聯在一起，可代表熱電產生器的熱阻。

我們一直在產生熱，這是人體新陳代謝的副作用。然而，只有少部分的熱通過熱流和紅外線輻射耗散到周圍環境中，剩下的熱量則以水蒸汽的形式被抑制。另外，只有少部分的熱流可以被收集起來并儲存為能量。兩層之間產生的電壓幅度V取決于材料和溫度，并以塞貝克(Seebeck)系數S函數遵循線性關系。

正如我們所看到的，能量優化的同時，必須同時準確選擇各種元件，以及電源和只在必要時提供電源的智能電源管理系統。

設計低功耗系統時有許多需要考慮的因素：功耗、所需要的周期、電壓和總功耗。因此，所有的設計場景都必須仔細地加以規劃。

圖4：采用熱能采集技術的起搏器方塊圖