工程師在可穿戴技術(shù)領(lǐng)域中必須要面對的主要設(shè)計問題是整體緊湊性和功率預算。可穿戴設(shè)備的小巧設(shè)計將使佩戴者更加舒適，而降低功率消耗將有助于可穿戴設(shè)備長時間運行。這兩種技術(shù)都在得到越來越多采用，但是，這兩種屬性可能會對彼此產(chǎn)生不利影響。

雖然微電子元件的物理尺寸正在減小，但其復雜程度卻在不斷提高，因此可以提供新的特性和功能，進而對可用的電池能量造成壓力。所采用的電池管理技術(shù)必須能夠提供快速充電功能，同時使可穿戴設(shè)備能夠運行足夠長的時間以避免頻繁充電，因為頻繁充電將對用戶體驗產(chǎn)生不利影響。這需要在電源管理集成電路（PMIC）方面的創(chuàng)新。

當今的可穿戴設(shè)備允許佩戴者監(jiān)視各種重要參數(shù)。根據(jù)設(shè)備的具體目標，某些參數(shù)可能比其他更為重要。設(shè)備處在身體上的位置基本決定了哪些參數(shù)可以測量，哪些不能測量。通常，最合適的位置是手腕，因為該位置是用于監(jiān)控健康/健身相關(guān)參數(shù)的最佳點，并且還為佩戴者提供了檢查獲取數(shù)據(jù)的便利訪問。

顯然，設(shè)計師的挑戰(zhàn)在于找到一種方法來支持超低功耗運行，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊的外形。流線型、輕巧的設(shè)計對于消費者最具吸引力，也具有更大的商業(yè)價值。因此，工程師必須在產(chǎn)品開發(fā)階段牢記這一點。但是，可穿戴設(shè)備的結(jié)構(gòu)限制了所使用的電池的尺寸，并因此限制了運行持續(xù)時間，而對于消費者，一個最不好的體驗是那些沒有足夠長電池壽命的產(chǎn)品。

電源管理設(shè)計：高效能源管理

由于受可穿戴設(shè)備外形尺寸限制，電池的大小也相應受到限制，因而要維持系統(tǒng)最低功耗水平，這使設(shè)計團隊在選擇合適電路布局，以獲得完全優(yōu)化的最終產(chǎn)品方面極為困難。可穿戴設(shè)備必須能夠包含不同的多媒體和感測能力，并具有足夠的電池能量，同時不會太笨重。通常使用的設(shè)計方法是根據(jù)特定的功率需求將設(shè)計劃分為模擬和數(shù)字模塊，然后對它們進行相應地優(yōu)化。許多電路區(qū)塊在不需要時可以停用，但有些電路區(qū)塊則需要連續(xù)運行。

一個典型的可穿戴架構(gòu)包括以下元件：微控制器、存儲器、小型顯示器、適當?shù)?a href="http://m.xsypw.cn/v/tag/117/" target="_blank">傳感器、通信IC和伴隨的電源管理電路。電源管理方面將包括負責充電的PMIC，以及各種降壓轉(zhuǎn)換器和幾個低壓差（LDO）電壓穩(wěn)壓器，以及對于藍牙/Wi-Fi連接的支持。

可穿戴設(shè)備的電源管理系統(tǒng)需要覆蓋多個電壓軌，一個用于微控制器，一個用于顯示器，還有一個用于傳感器。微控制器和傳感器會有大部分時間處于睡眠模式，需要喚醒以執(zhí)行預定功能或響應用戶的輸入。許多可穿戴設(shè)備的傳感器工作電壓高達0.8V。如果負載非常活躍（例如心臟傳感器每隔幾秒鐘執(zhí)行一次采樣），微控制器的電流消耗通常估計在每MHz 35μA到40μA之間，因此在尋找支持超低功耗的設(shè)計時，需要極大地關(guān)注這一點。

圖1：一種可穿戴設(shè)備的典型電路架構(gòu)。（來源：瑞薩）

電源管理系統(tǒng)以兩種不同的形式執(zhí)行DC/DC電源轉(zhuǎn)換：

·通過線性穩(wěn)壓器，這種線性穩(wěn)壓器可以完全集成到PMIC芯片中，并具有電壓可擴展性。

·通過基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器，這種方式具有非常高的效率，且具有電壓可擴展性，但往往是采用分立元件，而不是集成方式。

這些穩(wěn)壓器在物理尺寸、靈活性、效率等方面存在差異。因此，在開始啟動一個可穿戴技術(shù)的設(shè)計項目時，應考慮以下幾點：

·使用具備超低IQ的穩(wěn)壓器可能比較合適，因為它們會降低“始終工作”的傳感器或外圍設(shè)備的待機功率。這些有助于延長電池壽命，并支持使用更小的電池。

·高效的穩(wěn)壓器可以顯著降低有功功率，即當可穿戴設(shè)備正在使用，并進行測量或進行數(shù)據(jù)傳輸時的功率。

·在具有嚴格空間限制的項目中，高集成度能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的電源架構(gòu)。

選擇合適的電壓穩(wěn)壓器是實現(xiàn)更高效率的關(guān)鍵因素，此外還需要評估工作模式和待機模式下的功耗。使用具有強阻抗匹配的接口有助于保持低電流要求，并延長電池壽命。市場上有一些尖端的LDO控制器，其中包括瑞薩的ISL9016，它每個通道可提供高達150mA的電流，該器件具有高達200mΩ的靜態(tài)電阻（ESR），而靜態(tài)電流通常約為60μA。

圖2：瑞薩的ISL9016 LDO控制器。（來源：瑞薩）

圖3：Maxim Integrated的MAX77650降壓-升壓穩(wěn)壓器。（來源：Maxim Integrated）

雖然開關(guān)配置比使用LDO具有更高效率，但它需要各種電感器來提供不同的電壓軌，這會增大成本和尺寸，因此在可穿戴設(shè)計中基本上不切實際。既不能增大元件數(shù)量和材料清單成本，也不可占用更多的電路板空間，能夠滿足這種要求的首選電源管理架構(gòu)是單電感器多輸出（SIMO）。

來自Maxim Integrated 的MAX77650的SIMO降壓-升壓穩(wěn)壓器IC具有單個電感器，可根據(jù)電路要求在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)多達三個輸出電壓。由于可消除對某些分立元件的需求，該器件可以顯著節(jié)省空間。

電池容量與產(chǎn)品尺寸

可穿戴設(shè)備的一個典型設(shè)計挑戰(zhàn)是在各種不同應用場景下保持長電池壽命。智能手表通常僅有用于單節(jié)鋰離子電池的空間，電壓為3.8V，容量在130mAh至410mAh之間。鋰離子電池是小型可充電電池最常用的化學電池，而電池管理和充電系統(tǒng)的目標是在充電和運行期間仔細監(jiān)控電流、電壓和溫度，其主要挑戰(zhàn)是最大限度地降低系統(tǒng)本身的功耗水平，減少充電所需的時間，并使可用的電池電量最大化。德州儀器（TI）高集成度BQ25100專為單節(jié)鋰離子電池充電而設(shè)計，允許使用具有非穩(wěn)定輸出的低成本網(wǎng)絡(luò)適配器。該PMIC還可用于鋰聚合物等其他化學成分電池。

與其他電池技術(shù)相比，雖然鋰離子電池占據(jù)了更多市場份額，但這種技術(shù)在功率、尺寸和循環(huán)次數(shù)等方面永遠無法與超級電容器競爭。隨著可穿戴設(shè)備變得越來越小，其內(nèi)部空間變得越來越寶貴。目前的一種趨勢是用超級電容器取代可充電電池，從而提供一種基于納米技術(shù)的新能量存儲方式。與電池不同，超級電容器能夠很好地適應能量收集裝置，并可在幾秒鐘內(nèi)充電，它們還可以承受幾乎無限次的充電循環(huán)周期。Murata的超薄DMH超級電容器容量為35mF，標稱電壓為4.5V，ESR為300mΩ，所有均處于一個20mm x 20mm x 0.4mm封裝內(nèi)。

目前也正在研究一些新的能量收集解決方案，以作為永久使用可穿戴設(shè)備的輔助能源，從而不再有與超低功耗設(shè)計相關(guān)的限制。一種有趣的方法是通過利用不同材料層的相對運動來產(chǎn)生小電流，這一過程稱為摩擦帶電（triboelectric charging）。材料在有彼此相對運動時產(chǎn)生摩擦，因而獲得電荷。在兩個導電電極之間放置不同材料層，可以通過日常人體運動產(chǎn)生幾μW的功率，能夠為可穿戴設(shè)備的電池充電，從而優(yōu)化電源系統(tǒng)的運行。

結(jié)論

專用且越來越高效硬件的出現(xiàn)正在將可穿戴市場引向大批量的移動設(shè)備。Microchip和Analog Devices（ADI）等公司提供的新型PMIC以及專用SoC將使最新一代可穿戴設(shè)備在能效、計算能力和緊湊性等方面找到適當?shù)钠胶恻c。如果電子設(shè)備需要達到耳機或醫(yī)療貼片一樣的體積大小，其電池容量將受到極大限制，通過實施廣泛的工程方法可以找到延長電池壽命的最佳解決方案，從而節(jié)省每個μA的可用能量。