薄、小、輕是對可穿戴設備的基本要求，也解釋了為什么可穿戴技術的短板是電池續航時間。傳統符合要求的電池有鋰電池紐扣電池，這種電池對和其他的小功率穿戴設備來說足夠了，但它很難跟上越來越多的可穿戴設備的腳步，比如(ru)健康帶和智能(neng)(neng)手表。現在大多數智能(neng)(neng)手表電池只夠用一(yi)天。
圖一： Apple Watch 是(shi)蘋果第(di)一款(kuan)可(ke)穿戴，具有革命性的新技(ji)術和開(kai)創性的用(yong)戶界面。
對這些類型的設備來說，提高電池續航是獲取市場份額的關鍵，這將是一個龐大的市場，預測將在 2018年達到 3.8
億個單位。能量收集，無線充電，電池管理，電源管理和低消耗解決方案都是在可穿戴設計中提高續航的可選擇方案。本文章將重點介紹有關這些領域的最新技術，來幫助可穿戴設(she)備的設(she)計(ji)師們創造優(you)秀的電源(yuan)方(fang)案并更好(hao)的做好(hao)電源(yuan)分配工作。
能量收集電(dian)源管理
能量汲取于身體，如體溫和肢干的運動，或者來自環境如環境光線攜帶的僅微瓦到毫瓦單位的能量—不足以支撐智能手表的使用。德州儀器(TI)有一種設備，bq25570，它能把收集到的
300 到(dao) 400 毫瓦一(yi)下(xia)推到(dao)能給電(dian)(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)(dian)的 3 到(dao) 5V。雖(sui)然現在這不能產生足夠(gou)智(zhi)能手表工作的電(dian)(dian)(dian)量，但至少能延長(chang)工作時間。“超低功耗高(gao)(gao)能量采集(ji)管理”如 bq25570，也包括一(yi)個提供(gong)能第二種電(dian)(dian)(dian)力(li)運(yun)營系統的高(gao)(gao)效 nano-電(dian)(dian)(dian)源降壓變換器。
傳統電(dian)池充電(dian)(usb 或適配器 )
我們當然可以給可穿戴設備(bei)的電池用傳統方式充電，通過 usb 或適配器連接。TI 的新 bq25100
單電池鋰電池充電器提供了一個微型解決方案幾乎相當于現存電源方案的一半，同時它又能在成本敏感的可穿戴市場里支持低成本適配器的使用。充電器有高達 30V
的輸入電(dian)壓(ya)和 6.5V 的輸入電(dian)壓(ya)保護，除了其(qi)他的保護參數。
Maxim 的 MAX14676/76A 為可穿戴設(she)備的電源充電管理提供了另一種選擇。高度集成的MAX14676/76A，我們可以把它描述為“可穿戴電源管理方案集成電路”，它不止包括線性的充電電路，也包括延長續航時大量的低消耗能源管理周邊節約主機板的空間。這些包括一個
1.8V 的低靜態電流(lq)200mA 的降壓調節器，3.2V 的低靜態電流 100mA
低壓差線性穩壓器(LDO)，2.0V“永遠打開”50μALDO，+5V 安全輸出 LDO，6.6V 低 Lq120μA 電荷泵，甚至 5V 到 17V
的輸出激增(zeng)轉換器(qi)可支持廣(guang)泛種類的顯示選項。
bq25100 和 MAX14676/76A
都能與力接收器/搭配，提供可穿戴設備(bei)設(she)計的(de)無線充電能力。
兼容 Qi 標(biao)準的(de)無線充電方案(an)
無(wu)線(xian)充電由于(yu)其便捷性變得很受穿戴設備的(de)歡迎(ying)。和傳統線(xian)性充電方式相(xiang)比，消費者更傾(qing)向于(yu)直接把智能(neng)手(shou)表放在無(wu)線(xian)充電基座上(shang)，而(er)不(bu)是到(dao)處(chu)找(zhao)充電線(xian)和插座并連接三(san)者為智能(neng)手(shou)表充電。因(yin)此，許多(duo)的(de)無(wu)線(xian)充電方案(an)適(shi)用于(yu)種類豐富的(de)產品。以下重點(dian)介(jie)紹(shao)了德州(zhou)儀器(qi)的(de)方案(an)。
TI 提供了一個無線充電方案的前沿設計，TIDA-00318，可適用于低功率穿戴設備。這種方案可以搭配之前我們介紹過的 bq25100
單電池鋰電池線性充電器，和一個 Qi compliant 無線電源接收器來滿足整個 Qicompliant 無線充電方案。Qi
是一個無線充電設備的國際互通標準;任何 Qi 認證的無線電源接收設備，如 Moto 360 智能手表，能夠在有 Qi 認證的所有基座上完成充電。因此，任何執行
TIDA-00318 的可(ke)穿(chuan)戴(dai)設備都該獲得 Qi 認證在 Qi 充電基座上工作。TIDA-00318 為
135mA 充(chong)電規格而(er)設計，而(er)且體積很小(xiao)，僅為 5x15mm2。
對一個更小的可穿戴設(she)備無線充電接收器方案，TI 有 TIDA-00329 參考設計。它只有
5.23mm x 5.48mm合并了你 bq51003 Qi compliant 無線電源接收器或 bq51050B/51B Qi compliant
無線充電。這種微型設計能提(ti)供(gong)高達(da) 2W 的(de)電量。
在無線電源發射器上，或者可穿戴設備(bei)無線充電方案充電基座的一面，TI 提供了 TIDA-00334 參考設計。在小型可穿戴設(she)備發射器(qi)的設計上采用了 bq500212A IC。微型 usb 的電源是 5V。低功(gong)率設計支持接(jie)收器(qi)的輸出功(gong)率高達 2.5W。
TIDA-00334 無線發射器參考設計陳列在一個 30mm 的區域內，匹配 Wurth coil760308101103 的圓直徑，只比一個 15
分美(mei)元或 2 歐硬幣大一(yi)點。
圖二： Wurth
Elektrok‘s WE-WPCC 無線充電接受器線圈符合 WPC 的 Qi 標(biao)準 。
可(ke)穿戴設(she)備中的電(dian)源管理技術
超低功耗的電源轉換是實現可穿戴設備(bei)最佳電源(yuan)續航的(de)(de)關(guan)鍵(jian)。以(yi)下(xia)是(shi)一些最新(xin)的(de)(de)低功率產品(pin)或者高效直(zhi)流-直(zhi)流轉(zhuan)換產品(pin)。
TI 的 TPS727xx 系列，250mA LDOs 特色是有著極小的僅為 7.9μA 靜態電流，低漏失電流(100mA 典型電壓為
65mV，200mA 典型電壓為 130mV，250mA 典型電壓為 163mV)，寬輸出電壓和負載瞬態響應。LDO
還有一(yi)個(ge)特(te)點是有著高電(dian)源(yuan)電(dian)壓抑(yi)制比(bi)(PSRR)，在 RF 應(ying)用(yong)上有著 1kHz 70dB 的(de)平穩(wen)表現，有著小的(de)低成本的(de) 10μA 陶瓷電(dian)容器。
如今 TI 推出的還有 TPS82740B 200mA 升降壓轉換模塊，能提供 95%的轉換率，在工作時僅消耗360nA lq，而安靜時更僅為
70nA。小型模塊可用于完全(quan)整(zheng)合，合并了交換(huan)調整(zheng)器，感應器和輸入/輸出電容(rong) 9-bump MicroSiP?組件，實(shi)現了僅 6.7mm2 大(da)小的尺(chi)寸。
圖 3： 低功率 TPS82740x 360nA Micro SIP 升降壓轉換器模 塊
升壓轉換通常不如降壓轉換有效率。不過，在各種系統電路中對電池升壓很常見，尤其是顯示電路，Maxim 有新 1A 升壓轉換器，MAX8627
能使單電池鋰電池的輸出電壓從 3V 升高到 5V，并可實現高達95%的轉換率而只消耗 20μA lq。Silicon Labs 現在有 TS33x
升壓轉換器，擁有行業領導的低至 150nA的 lq。TS33x 增加輸入電壓從 0.9V 到 3.6V，并且有 8 個可選擇的范圍為 1.8V 到 5V
的輸出電壓。
藍牙，微(wei)和其它低(di)功率(lv)方案
事實上，當試圖延長可穿戴設備電池續航時系統中(zhong)的所(suo)有(you)東西都需要考慮到
一個常見的省電的方式就是關閉一些高耗電的功能，如一些處理和顯示功能，例如智能手表、平板或電腦。Bluetooth? Smart
或者叫低耗藍牙，已經是大多數新智能手表中的標配，因此是可(ke)穿(chuan)戴設備(bei)無線交流方式標準。藍牙也可用于從智能手機傳送信息到智能手表，并且 TI
提供了一個“藍牙可穿戴手表發展系統”叫做 TI Meta Watch? 確保了相關手表設備的快速發展。Meta Watch SDK/API
使在手表上從手機應用或網絡服務上接受信息很容易。開發系統包括有顯示屏的智能手表，和一個 3 ATM
防水不銹(xiu)鋼外殼，皮帶(dai)表，水晶鏡面，震動(dong)電機(ji)，三軸加(jia)速(su)計(ji)和環境光(guang)感應器(qi)。
圖 4 ：德州儀器 Meta Watch? Bluetooth? 可穿戴手表開發系統確保了 “ 可連接手表 ” 應用的快速發展
。
Meta 手表平臺已(yi)為(wei)低(di)(di)功耗優化，基于 TI16 位的 MSP430?超(chao)低(di)(di)功率的微控(kong)(kong)制器 (MCU)和 CC2564 藍(lan)牙(ya)主控(kong)(kong)器界面(mian)方案。
選擇 MCU 對可穿(chuan)戴設(she)備的電源管理很重要，高效的 MCU
能加速導入數據并迅速進入睡眠狀態，保存電量。低耗能睡眠模式能有效減少電源消耗。可穿戴(dai)設備(bei)的設計者比之前有更多 MCU 的選擇，32 位比 16位更有成本競爭力。為成本和功率敏感的 MCU 優化的
ARM的 Cortex-M 系列 32 位處理器核心已經能預見到在可穿戴市場的成功。從超低功耗的 Cortex-M0 和 M0+到高性能的
Cortex-M7，ARM Cortex-M 系列可以提供能滿足不同需求的各種穿戴設備。基于 ARM-Cortex-M 系列的 MCU
如今許多廠商都可提供，包括德州儀器，和 STMMicroelectronics，有著 STM32 MCU 巨大的生產線，包括 STM32L1 和 L0 超低功耗
MCU。
最后，一定要考慮到可穿戴設備(bei)中無數傳感器的電源管理。傳感器技術是加速可穿戴市場發展的催化劑。但是我們不能忘記傳感器的外圍電路。STMicro
可用于有低功耗傳感器信號調理的可穿戴傳感器，它的QA4NP 低功耗四通道運算，每通道只消耗 580nA(在 1.8V
的(de)電源供給下)。
以(yi)上(shang)只是對低功耗電源(yuan)管理技(ji)(ji)術的(de)(de)管中窺豹，和(he)產品協作(zuo)來設計能滿足可穿戴市場(chang)超低功耗電源(yuan)系統是激發這(zhe)個市場(chang)的(de)(de)關鍵，有必要認識到超低功耗設備(bei)不僅對穿戴設備(bei)很(hen)重(zhong)要，新的(de)(de)低耗技(ji)(ji)術對那些依賴電池(chi)供電和(he)能量收(shou)集供電的(de)(de)應用也很(hen)重(zhong)要。
解決方案