如何為可穿戴設備的超低功耗應用設計延長電池壽命

如何為可穿戴設備的超低功耗應用設計延長電池壽命

佚名 發表於 2020-02-03 12:22:12

可穿戴設備市場正在蓬勃發展。統計聚合門戶網站Statista，指出，全球市場價值將超過今年7 $十億和$ 12.6十億在2018年。

雖然潛在的回報是高，這並不是一件容易的市場進入。設計智能手錶或手鐲健身是艱難的;消費者期望很多功能，智慧型手機連接，小巧的外形，重量輕，電池壽命長。高集成度，超低功耗的微處理器和無線晶片的推出緩解了設計過程，但擠壓出所有電池的功率仍是關鍵，以一種可穿戴產品的成功。

本文將看看如何矽片供應商幫助身打扮設計師通過提供電源節儉顯示，微控制器(MCU)，矽無線電設備，以及電源管理晶片專為超低功耗應用而設計，延長電池壽命。

技術的融合

身打扮如雨後春筍般湧現，因為三個關鍵technologies1收斂中脫穎而出。可以從手錶電池運行的超低功耗晶片讓公司能夠提供緊湊的產品當中，得益於智慧型手機兼容的無線技術如藍牙智能(又名藍牙低功耗技術)，與智慧型手機和平板電腦的無縫通信。便宜的應用程式的範圍呈現從可穿戴的指示用戶友好的方式收集的信息，例如，多長時間用戶需要運動減肥。最近的一項前沿耐磨是阿迪達斯的適合智能腕帶追蹤它採用藍牙智能技術從北歐半導體(圖1)。

阿迪達斯'適合智能圖像

圖1：阿迪達斯'適合智能是典型的最新一代可穿戴式產品。 (阿迪達斯/ Nordic半導體提供)

產品如飛度智能結合工程的多個方面，包括先進的電子設備，如32位MCU，2.4 GHz的矽收音機，模擬 - 數字轉換器(ADC)，以及顯示驅動程序。此外，可佩戴可結合多個傳感器測量大氣壓力，溼度，溫度，和加速度。 MCU的能力顯著影響設備的性能，並確定它的市場吸引力;所述MCU還常常集成在可佩戴的電子設備的其他元件，例如藍牙智能無線電和ADC。然而，這並不是故事的全部。

身打扮必須是不顯眼;該放置約束的尺寸和重量，並反過來，在電源的容量。一些身打扮，如智能手錶與強大的計算能力和全球定位系統，將設計上借鑑了可充電鋰離子電池的資源和消費者接受的要求，以補足細胞偶見。然而，如果再充電的次數可以減少產物可以獲取對競爭者的優勢。

其他身打扮，如健身手鐲，預計無細胞改變運行數月。技術如基於ARM的低功耗嵌入式處理器和優化的微控制器，如德州儀器(TI)MSP430和「超低功耗」的無線連接如藍牙智能，RF4CE，或ZigBee幫助工程師設計的設備可以運行的小電池如CR2032紐扣電池。對於這種類型的電池將持續數月，平均電流消耗必須被限制在只是幾毫安。這限制了一個產品也許幾十正常運行時毫安和幾十微安，甚至幾百納安在睡眠模式(參見技術專區的文章「微小的電壓調節器滿足可穿戴式電子空間的約束。」)。

設計對低功耗

顯示器(如果已安裝)，MCU和矽無線電負責為廣大的功耗的可穿戴設備。製造商試圖通過使用的技術，如有機LED(OLED)顯示器，以限制所述顯示的功耗。 OLED的能耗比傳統LED功率較小，因為他們不需要任何背光。這項技術也適合於更薄，更輕顯示(見技術專區的文章「有機發光二極體靠攏主流照明」)。為了節省更多的權力，這顯示目前最小的信息，因為消費者通常能夠獲取大量的統計數據來自聯營公司的應用程式在他們的智慧型手機，並且顯示器切換到省電模式迅速在不被訪問。

該MCU在可穿戴需要處理一些繁重的計算工作，同時最大限度地降低功耗。幸運的是，晶片供應商有很多的經驗，在優化這種權衡在行動裝置如手機和MP3播放器。技術如高時鐘速率來完成工作迅速，讓MCU迅速返回到低功耗的睡眠狀態，最大限度地降低靜態功耗，延長電池壽命(見技術專區的文章「設計技術延長鋰離子電池壽命「)。

還幫助設計工程師充分發揮他或她的功率預算都是無線連接技術，如藍牙智能和ZigBee。這些專門設計通過傳送快速脈衝串的數據，以便它們可以返回到低功耗睡眠模式迅速並通過限制傳輸範圍到大約10米以節省電力。藍牙智能，例如，不同於傳統的藍牙無線技術採用異步射頻協議，不像大哥哥，不必保持不斷地「空氣」，以保持配對 - 節省了寶貴的電池電量。

設計工程師還應該知道，傳感器經常穿戴式產品所用的類型可以表現出即使在相當高的漏電流「停擺」，所以規定提出，要積極斷開電源軌等設備與硬開關，而不是僅僅允許他們斷電。

電源管理

儘管低功耗的晶片提供了陣列，開發可穿戴式產品，體面的電池壽命還遠遠沒有小事。事實上，電源管理可以造就一個產品。成功身打扮往往同時結合了流行的穩壓器技術，成組的開關穩壓器的高效率與低輟學線性穩壓器(LDO)的「乾淨」的力量。

開關穩壓器的效率在寬電壓和負載範圍，但電壓和電流漣波輸出與敏感的混合信號晶片，特別是矽的收音機造成嚴重破壞。通過將開關穩壓器的輸出通過一個LDO，波動變得平滑。由於LDO的效率是成正比的輸出電壓的輸入電壓劃分，設計工程師應確保開關穩壓器的輸出(即LDO的輸入)，靠近LDO的輸出，延長電池壽命。 LDO的下部的釋放電壓，越接近這些電壓可以匹配。

許多製造商提供電源模塊開關穩壓器和一個或多個低壓降穩壓器集成到單個晶片中。例子包括TI的TPS61130 - 它集成了一個500 kHz的開關調節器，LDO中產生兩個2.5至5.5 V(300和320 mA)的一個模塊輸出 - 與Maxim的MAX 1765，這又提供了兩種輸出，2.5-5.5 V (800 mA)的和2.85到可調(500 mA)的。欲了解更多信息，請參閱技術展區文章「功率模塊結合了效率與低噪聲輸出。」

產品如TI的TPS82740A拿東西，甚至進一步;該模塊是專門為照顧身打扮的電力需求，如智能手錶。該公司提供的裝置中的「MicroSIP」(系統級封裝)，其中包括在一個封裝，僅6.7平方毫米的體積的開關穩壓器，電感器，和輸入/輸出電容器。無需外部元件，使得TPS82740A適用於空間受限身打扮(圖2)是不錯的選擇。

德州儀器(TI)MicroSIP包裝的開關穩壓器圖片

圖2：TI的MicroSIP包裝的開關穩壓器尺寸僅為6.7平方毫米，無需外部元件。

雖然TPS82740A沒有結合的開關調節器，LDO，而不是僅僅採用降壓(「降壓」)開關穩壓器的服務，TI聲稱輸出幾乎無波動，不擾亂敏感電路。一種巧妙的特技該模塊起著是恢復到100%的佔空比，當輸入電壓接近輸出電壓(有效模仿一個LDO)。模塊的工作從2.2-5.5 V配合200mA的最大輸出電流的輸入電壓範圍。

圖3示出一個可穿戴產品採用TPS82740A的示意圖。一個常見的電壓用於在MCU，無線電和傳感器。該MCU是直接連接到開關調節器的輸出，因此總是供電。該傳感器連接到一個集成負荷開關，只有當用戶請求數據，從而節省功率是閉合的輸出。

電源原理圖在身打扮應用圖片

圖3：在一身打扮應用電源的原理圖。傳感器被關閉在不使用時，以限制洩漏電流和節省電力。 (德州儀器提供)

開關穩壓器的一個缺點是效率尾巴遠離在低負載。這可能會損害電池壽命如果不加以控制，因為可穿戴式產品通常會花很長時間在低功耗的「休眠」或「待機」模式，幾乎不需用戶幹預。晶片製造商已經解決的由任一改變開關頻率，跳躍脈衝，或者甚至懸浮劑操作共直到該輸出電壓低於一定的閾值的開關穩壓器在低負載這一缺點。所有這些技術旨在降低開關損耗而變得更加顯著為負載降低(見技術專區文章「使用PFM提高開關DC / DC穩壓器效率，在低負荷」)。

TI採用專有技術，該公司稱之為DCS控制(「直接控制的無縫過渡到省電模式」)在TPS82740A。在高負載電流時，開關調節器以準固定頻率脈寬調製(PWM)模式。最大開關頻率為1.7兆赫。當負載電流減小，所述模塊通過線性改變開關頻率進入功率節省模式。在極輕負載時，該模塊生成單開關脈衝來壯大電感電流和充電輸出電容，返回到360 nA的靜態電流消耗模式，直到輸出電壓低於設定的閾值。

在設計身打扮是艱難的，製造商提供專門設計的低功耗晶片和豐富的工程諮詢，使生活的工程師更容易一些。好消息是，消費者已經採取的一大途徑身打扮;因此利潤豐厚的獎勵等待著跟隨在Garmin公司，阿迪達斯，企業，和Fitbit的腳步與盟軍巧妙的智慧型手機應用程式高效，實用的監控產品。

責任編輯：gt

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