可穿戴設備為系統設計人員帶來了新的要求，同時共享與更傳統的無線傳感器節點相關的低功耗和高功能的關鍵要求。通過收集環境能量，例如體熱和運動，工程師可以創建能夠長時間運行的可穿戴系統，幾乎不需要為內部電池充電。對于工程師而言，創建高能效可穿戴設計依賴于能量收集技術和節能MCU，無線電和能量存儲設備的組合，包括Energizer，Linear Technology，Maxim Integrated，Panasonic，Renesas，Seiko Instruments，STMicroelectronics ，Taiyo Yuden和德州儀器等。

可穿戴設備為有效電子系統的設計帶來了新的挑戰。用戶期望功能豐富的可穿戴設備看起來比科技設備更時尚。因此，在功能主導傳統設計的地方，形式和適合性成為可穿戴設備的關鍵屬性。同時，設計人員必須在增強性能和低功耗之間實現關鍵平衡，因為用戶期望獲得最佳性能和功能以及長時間運行而無需頻繁拆卸以對電池充電。

能量收集可以發揮關鍵作用在很少或沒有更換電池的情況下為延長操作提供足夠電力的作用。在可穿戴設備中，用戶自身的體溫，運動或接近RF發射器可以作為重要的能源。高效的能量收集技術可以從體熱，動能源或附近的射頻源中提取數十微瓦。

即使來自環境源的持續涓流能量，收獲的能量也可能不足以滿足有功功率要求。作為可穿戴設計的核心，典型的基于MCU的無線傳感器系統在非常低功耗的睡眠狀態和相對高功率的活動狀態之間交替進行傳感器數據采集，處理和最終傳輸到接收器（圖1）。

圖1：環境源可能提供的能量不足以滿足無線傳感器設計中的有功功率要求，例如可穿戴設備，需要使用二次電池或其他能量存儲設備。 （由Silicon Labs提供）

高能效MCU

專為低功耗應用而設計的MCU在主動運行模式下功耗很小，在睡眠狀態下只需要很小的功率。例如，超低功耗16位MCU（例如瑞薩RL78/G13 1.6V MCU系列）在運行模式下的功耗僅為66μA/MHz，在停止模式下的功耗僅為0.23μA。對于需要32位性能的應用，工程師可以找到基于能量優化的32位內核的各種超低功耗MCU，例如ARM Cortex-M0 +。例如，意法半導體的基于ARM Cortex-M0 +的STM32 L0 MCU在運行模式下僅需要87μA/MHz，在超低功耗模式下僅需250 nA。

在傳統的無線應用中，無線電收發器可以消耗不成比例的大部分系統在交換長而頻繁的消息時的功率預算。相比之下，無線傳感器應用通常會生成少量傳感器數據，而且頻率較低。較短的活動狀態和較長的睡眠周期的組合轉換成相對較低的總功率要求。在節能型無線電設備中，例如德州儀器CC2500，這些類型的短暫，不頻繁的通信突發導致相對適度的電流消耗（圖2）。

圖2：電源要求可穿戴設備中的無線通信通過使用短的低頻數據突發和使用低功率收發器（例如Texas Instruments CC2500）來最小化。 （由Texas Instruments提供）

儲能

即使使用超低功耗MCU和收發器，如果環境源減弱或完全移除，也可能需要補充電源以確保持續運行。在這里，設計人員可以找到各種各樣的電池和其他能量存儲設備，能夠彌補能量收集中可用的間歇性缺陷。

對于可穿戴應用的電池選擇，空間限制很可能成為主導因素，推動選擇更小的紐扣電池。小型主（非可充電）紐扣電池，如Panasonic BSG CR-1025/BN或Energizer AZ10DP-8，可提供相對較高的容量，以確保在各種運行狀態下運行。這類電池可以在相對較高的放電速率下長時間保持標稱電壓水平（圖3）。與傳感器應用相關的低放電率和占空比將進一步延長電池壽命

圖3：對于尺寸限制不太敏感的設計，標準的主要幣形電池，如Panasonic CR-1025/BN，可在各種放電電流下提供高容量。 （由Panasonic提供）

CR-1025的直徑為10毫米，高度為2.5毫米，是一種鋰/二氧化錳（Li/MnO2）原電池，在3V標稱輸出和100μA時容量約為30 mAh連續標準負載。 AZ10DP-8通常用于助聽器，是一種鋅空氣（Zn/O2）原電池，在5.8毫米（直徑）×3.6毫米（高）包裝中可在1.4 V時提供91 mAh的電流。采用能量采集設計的二次（可充電）電池無需更換電池;然而，二次紐扣電池通常比相同大小的一次電池提供更低的容量。例如，Seiko Instruments MS518SE提供3.4 mAh，最大放電電流為150μA。 MS518SE的尺寸為5.8毫米（直徑）×1.8毫米（高），是一種鋰可充電電池，采用氧化硅陽極和鋰錳復合氧化物陰極，具有較長的循環壽命和穩定的特性。和鋰復合電池，薄膜存儲設備和超級電容器提供緊湊的能量存儲設備。在物理尺寸最小的選項中，Taiyo Yuden PAS3225P3R3113等超級電容器提供了一種有效的解決方案，特別適用于需要利用超級電容器的快速放電特性來提供快速突發功率的設計。 PAS3225P3R3113 0.011F超級電容器的3.20 mm x 2.50 mm和1.0 mm高度可在3.3 V時提供3.2μAh的電流，最大放電電流為10μA。

在使用可充電鋰離子電池或超級電容器時，工程師需要保護存儲設備免于過度充電和過度放電。未能保持緊密的電壓和電流窗口會降低有效容量甚至損壞設備。雖然工程師可以找到各種各樣的電池管理器件，但專門為能量收集而設計的IC通常可以提供更完整的解決方案。

專業IC，如凌力爾特公司的LTC3331，Maxim Integrated MAX17710GB和德州儀器bq25504，將電池充電管理功能與一個完整的能量收集子系統 - 全部集成在一臺設備上。例如，德州儀器（TI）bq25504集成了一個升壓轉換器/充電器，能夠在運行時從低至80 mV的電源提取能量。

bq25504上的片上電池管理電路和此類設備中的其他設備允許工程師進行編程欠壓和過壓保護電平，通常設置閾值，以啟用“電源良好”輸出信號，用于通知負載電路電源電壓已達到可用電平。由于這些器件具有高度集成性，工程師通常只需添加少量外部元件即可在其設計中實現能量收集和電池管理功能（圖4）。

圖4：專用設備，如德州儀器bq25504，集成了高效能量提取電路，具有先進的電池管理功能 - 只需少量外部組件即可為能量收集提供完整的解決方案。 （德州儀器公司提供）

結論

可穿戴設備需要仔細考慮底層電子系統的功能，功能和尺寸，以滿足消費者對這一新興產品領域的期望。通過將能量收集技術與超低功耗IC結合使用，工程師可以實現可穿戴系統電子設備，能夠延長這些設計中電池的使用壽命，甚至完全不再需要可更換電池。