本文介紹了設計可穿戴設備的一些獨特挑戰(zhàn)，以及如何優(yōu)化電源效率以減小尺寸。它涵蓋了工作電壓的重要性以及如何選擇合適的穩(wěn)壓器。它還解釋了電池電量計量的重要性，并以摘要結束，描述了針對這些超便攜/可穿戴應用優(yōu)化的高度集成設備的示例。

介紹

隨著人們轉向電子產(chǎn)品進行娛樂，身體活動可能會減少并導致健康問題。雖然技術可能是肥胖的原因之一，但技術也可以用來解決這個問題。今天，有電子計步器和健身追蹤器通過報告活動水平來鼓勵更多的身體活動，并且有數(shù)據(jù)證明這種方法的有效性。

“可穿戴”健身追蹤器的選項數(shù)量持續(xù)增長，并且它們繼續(xù)增加簡單的計步功能，以幫助促進身體活動。然而，為了使這些設備中的任何一個有效，需要使用它們。對于人們使用它們，它們需要不顯眼且維護成本低;如此渺小，如此輕盈，以至于你忘記了它們的存在;并提供每次充電的較長時間，以盡量減少充電的麻煩。電池可用的能量與電池的大小有關，因此很難在不使設備更大更重的情況下延長充電之間的時間。由于電池通常是可穿戴設備中最大的組件之一，因此在設計中需要在功率預算和尺寸之間取得微妙的平衡。

本文將討論如何在不影響性能的情況下減小可穿戴設備的尺寸和重量。實現(xiàn)這些目標可以提高這些設備的利用率，并對社區(qū)的整體健康產(chǎn)生積極影響。

設計挑戰(zhàn)

為了減小這些可穿戴設備的尺寸和重量，需要最大限度地減少電池消耗的能量，以便可以使用更小的電池。在某些方面，可穿戴設備與任何其他電池供電的應用一樣，但規(guī)模要小得多，需要不同級別的優(yōu)化。

可穿戴設備必須快速管理功耗更高的任務，并盡可能多地處于空閑待機狀態(tài)（圖 1）。但這里可用的電流明顯小于典型的移動應用程序。為了從50mAhr電池獲得一周的運行時間，平均電流需要小于300μA。 將25%的功率預算分配給待機時小于75μA。具有靜態(tài)電流（IQ） 的電流為 30μA 將消耗該預算的近一半，從而產(chǎn)生低 I。Q線性穩(wěn)壓器似乎是更好的選擇。雖然待機功耗為數(shù)十微安，但系統(tǒng)中通常存在可能需要數(shù)十毫安的高峰值電流外設，例如顯示器或無線電。如果沒有降壓穩(wěn)壓器的效率，將難以滿足通信功率預算。因此，在大動態(tài)負載范圍內優(yōu)化功耗需要權衡取舍，并仔細注意詳細的功率規(guī)格。

圖1.簡單說明可穿戴監(jiān)視器設備在三種不同模式下預期運行的時間。

降低電壓

無論是處于活動狀態(tài)還是待機狀態(tài)，可穿戴設備中的組件都需要電源才能運行。為了減少電池的負載，我們必須最大限度地減少功耗。請記住，功率是電壓乘以電流的乘積，而電流通常與電壓成正比。所以功率往往與電壓的平方有關。當繪制電阻的電流和功耗與施加的電壓時，電流和功率之間的巨大差異很容易看到，如圖2所示。

圖2.500Ω電阻的電流和功率與電壓的關系

雖然有源器件不是純阻性負載，但電容器充電和放電所需的電流也取決于施加的電壓。許多有源器件的功率會隨著所施加電壓的平方而變化。通過將 KC5032 振蕩器等簡單有源器件的電流和功耗與電阻器的電流和功耗進行比較，可以看出這方面的一個例子（圖 3）。這種電壓平方關系部分解釋了為什么每瓦計算能力在電壓適度降低的情況下發(fā)展如此之快。這也解釋了為什么增加線性穩(wěn)壓器可以降低功耗，即使轉換效率低下，輸入電流基本等于輸出電流。

許多設備出于節(jié)能和其他原因在內部調節(jié)電壓。內部調節(jié)通常是線性的，因此它將最大限度地減少電流變化。盡管如此，總功耗仍與輸入電壓呈線性關系。通常，為了最大限度地降低系統(tǒng)中大多數(shù)功能的功耗，通常有助于從可用的最低電壓組件中進行選擇，并在輸入電壓范圍的低端運行它們。

圖3.振蕩器和電阻之間的電流和功耗比較。

選擇合適的調壓閥

雖然選擇合適的工作電壓很重要，但選擇合適的穩(wěn)壓器來產(chǎn)生該電壓也同樣重要。如前所述，器件內部的線性穩(wěn)壓器可以通過允許內部電路消耗更少的電流來降低功耗。然而，線性調節(jié)并不能充分利用電壓降低的優(yōu)勢。由于通過穩(wěn)壓器的電流減小，功率降低，但消耗的功率仍然是輸入電壓乘以電流。所需的功率只是輸出電壓乘以電流;其余功率（電流乘以輸入和輸出電壓之差）由線性調節(jié)消耗。

需要一個開關穩(wěn)壓器來充分利用降低的電壓。一個通用的開關穩(wěn)壓器可以輕松消耗整個待機功率預算。由于這些設備在待機狀態(tài)下花費了如此高的百分比，因此過去有必要犧牲主動效率并使用低I。Q線性穩(wěn)壓器。幸運的是，目前有低于1μA I的降壓穩(wěn)壓器Q這使得活動與備用效率權衡變得不必要。

移動到這些低I之一的電池電流降低Q監(jiān)管機構可能相當戲劇化。如果組件可以從1.8V運行，并且電源是平均電壓為3.7V的可充電鋰聚合物電池，那么電池電流可以減少近一半。但降壓穩(wěn)壓器并不總是最佳解決方案，特別是當輸出電壓>輸入電壓的80%時。降壓穩(wěn)壓器的效率通常約為90%。當從3.7V穩(wěn)壓到3.2V時，即使是線性穩(wěn)壓器也能達到85%的效率，但線性穩(wěn)壓器不需要電感器。如圖4所示，效率與輸出電流的關系圖顯示，對于小于1mA的負載，1μA降壓穩(wěn)壓器在調節(jié)至1.8V時具有明顯的優(yōu)勢。但請注意，調節(jié)至3.2V時幾乎沒有區(qū)別。由于這些器件待機時間很長，因此 1μA 降壓穩(wěn)壓器是 1.8V 輸出的最佳選擇。盡管如此，線性穩(wěn)壓器的電路板空間減小，使其成為3.2V輸出的更好選擇。請記住，并非所有開關轉換器都是平等的。仔細檢查轉換器在特定操作條件下的行為。

雖然許多微控制器都包含集成穩(wěn)壓器，但內部穩(wěn)壓器并不總是實現(xiàn)最低功耗的最佳選擇。審查內部監(jiān)管機構的細節(jié)與審查外部監(jiān)管機構同樣重要。當內核電壓降至1.8V以下時，從線性穩(wěn)壓器轉向開關穩(wěn)壓器可將內核功耗降低一半以上。這正是許多微控制器提供禁用內部穩(wěn)壓器的能力的原因。假設所包含的穩(wěn)壓器是最佳的是不安全的，并且如果屈服于簡單地使用微控制器提供的內核調節(jié)的誘惑，可能會造成嚴重的功耗損失。

圖4.不同輸出電壓下穩(wěn)壓器的效率比較。

了解您的電池

最糟糕的用戶體驗之一是設備意外停止。一位拿著計步器的跑步者感嘆道：“但電池條仍然很好看？當電池指示燈顯示仍有可用電量時，沒有人希望設備關閉。因此，指標的準確性至關重要。電池充電狀態(tài) （SOC） 狀態(tài)的任何不確定性都必須從報告給用戶的可用電量中減去。為了保證充電之間的最短時間，電池必須“過大”，以允許測量不準確。

鑒于電池在系統(tǒng)設計中的重要性，您選擇如何測量電池的狀態(tài)將直接影響尺寸、成本和整體用戶體驗。由于可穿戴設備中常見的微小電流，庫侖計數(shù)根本不實用。檢測電壓非常小，以至于微功率放大器不夠用，所需的測量頻率消耗了太多的功率。電壓監(jiān)測技術是唯一可行的解決方案。

可充電鋰電池很難僅通過電壓進行監(jiān)控。簡單地用ADC讀取電池電壓并不能告訴你電池的SOC（見圖5），但幸運的是，有專門設計的電量計來滿足這些應用的要求。美信集成的專有產(chǎn)品。模型儀表?算法為報告電池容量提供了最佳準確性。大多數(shù)人都會同意，當您試圖保持薄型或延長充電間隔時間時，準確的電池 SOC 測量可能是無價的。

圖5.即時電池電壓不是 SOC。

將一切整合在一起

設計微型可穿戴設備的挑戰(zhàn)需要與典型的移動應用程序不同的優(yōu)化。以前被認為不重要的噪聲的組件和規(guī)格現(xiàn)在是滿足性能要求的關鍵因素。不僅每個功能都需要針對新的功率約束進行優(yōu)化，而且必須在盡可能小的空間內實現(xiàn)。這些器件幾乎沒有空間容納膠合邏輯甚至無源元件，因此集成至關重要。

幸運的是，有針對這些可穿戴應用優(yōu)化的集成設備。單芯片可穿戴充電管理解決方案將電源調節(jié)、電池管理和監(jiān)控功能集成在微型WLP封裝中，如圖6所示。為了實現(xiàn)具有最佳調節(jié)的較低電壓，該器件包括一個 I小于 1μA 的 1.8V 降壓穩(wěn)壓器Q和低 IQ3.2V 線性電阻。為了進行精確的電池監(jiān)控，它采用了ModelGauge技術。它還集成了這些可穿戴應用中常見的其他功能：顯示/背光電源、電源開/關等監(jiān)控功能以及排序控制。可穿戴充電管理解決方案等產(chǎn)品正在幫助公司更好地利用電池并減輕健身追蹤器的重量。現(xiàn)在，他們可以提供人們可能實際使用的最佳動力、更小、更輕、不那么突兀的可穿戴設備。

圖6.MAX14676是一種可穿戴充電管理方案，集成了降壓穩(wěn)壓器、用于精確SOC的ModelGauge技術以及可穿戴健身設備的所有功能。

審核編輯：郭婷