怎么對可穿戴設(shè)備進(jìn)行有效電源管理？

　　智能可穿戴設(shè)備的電池在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就會耗盡，這并不是任何人想要的。但是通過識別相關(guān)的問題和仔細(xì)設(shè)計(jì)電源電路，這種電池問題是可以避免的。

　　我們生活在一個(gè)電子設(shè)備成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢煞指畹囊徊糠值臅r(shí)代，因?yàn)檫@些設(shè)備使我們學(xué)習(xí)、工作、鍛煉、旅行、交流和監(jiān)控事物變得非常方便。特別是可穿戴設(shè)備，已經(jīng)變得如此輕便和實(shí)用，以至于許多人每天都喜歡隨身攜帶。

　　在醫(yī)療應(yīng)用中，可穿戴設(shè)備可用于監(jiān)測心率、血壓、血氧飽和度、運(yùn)動(dòng)中燃燒的卡路里、睡眠跟蹤等等。這些設(shè)備監(jiān)測病人的健康狀況，允許個(gè)人診斷和健康跟蹤。其中一些還可以在病人的醫(yī)生和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線接口。這樣醫(yī)生就可以隨時(shí)了解病人的健康狀況，而不需要他們中的任何一個(gè)去探望另一個(gè)。

　　對于一些新生兒病例，有特殊形式的項(xiàng)鏈，甚至可以監(jiān)測新生兒的體溫和脈搏的耳塞。這樣的設(shè)備需要一個(gè)電源管理系統(tǒng)，可以持續(xù)至少19個(gè)小時(shí)充電。

　　電池挑戰(zhàn)

　　可穿戴式電池管理系統(tǒng)（BMS）具有許多特點(diǎn)和功能，需要更多的充電時(shí)間。盡管在過去的十年中電池的容量有所提高，但是儲存的電量在有限的時(shí)間內(nèi)就會迅速耗盡。這減少了可穿戴設(shè)備的生命周期，因此，電池需要定期更換或更換為蓄電池，這增加了維護(hù)和成本。

　　此外，只持續(xù)四到六年的 BMS 是沒有幫助的。在可穿戴設(shè)備中，電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵問題。

　　小尺寸因子是可穿戴設(shè)備的另一個(gè)關(guān)鍵問題。電池復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以顯著增加設(shè)備的尺寸和成本，使人們不便佩戴它們。

　　實(shí)現(xiàn)有效電源管理的一些新方法是：

　　1.藍(lán)牙 LE 5，Wi-Fi，或 RFID。它們消耗低功耗（微瓦） ，并在 SoC 上提供有效的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)施。

　　2. 先進(jìn)的 CMOS 技術(shù)。它使低功耗電路和系統(tǒng)得以發(fā)展。它允許設(shè)備在亞微瓦的功率水平下工作。

　　3. 能量收集元件來源。隨著晶體管尺寸的縮小，需要對電源進(jìn)行有效的管理。這意味著我們應(yīng)該考慮利用熱能、振動(dòng)能或太陽能發(fā)電。然而，能量收集元件自身也帶來了一些設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，因?yàn)槭斋@的能量會有電壓波動(dòng)，并且取決于收割機(jī)的可用性和大小。

　　框圖更改

　　一個(gè)典型的可穿戴設(shè)備框圖包括心率、心電、脈搏、計(jì)步器等傳感器。這些總是需要良好的接口與控制器通過一些 adc 或其他類型的模擬前端轉(zhuǎn)換器。控制器的正確選擇對節(jié)約能源至關(guān)重要。

　　如果我們考慮傳感器、能量源和電源管理（用于模擬前端處理、無線收發(fā)器和處理器）等模塊，則能量源為整個(gè)設(shè)備供電。因此，電源管理模塊應(yīng)該有效地將電能分配給系統(tǒng)中的不同模塊。

　　之后，傳感器塊將收集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到數(shù)字處理器，在那里數(shù)字化的數(shù)據(jù)將被處理并保存在內(nèi)存中。數(shù)據(jù)也可以被存儲來計(jì)算平均值。最后，無線收發(fā)模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個(gè)用戶/接收者。

　　這些塊一般需要小功率微安電流（mA）。因此，大多數(shù)時(shí)候，低功耗發(fā)射器以最大200kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率輸出大約160mw 的電能，而實(shí)際消耗的電能約為190nw。當(dāng)設(shè)備的負(fù)載周期為0.013% 時(shí)，無線發(fā)射器通常消耗更大的功率，因此以負(fù)載周期方式工作，以盡量減少設(shè)備的總體功耗。

　　住進(jìn)重癥監(jiān)護(hù)病房的病人是那些生命垂危的病人，他們通常不能自主呼吸。因此，為了幫助他們的肺通風(fēng)，臨床醫(yī)生在病人的氣管內(nèi)建立了一個(gè)氣道，以提供人工呼吸。這被稱為氣管插管，其中一個(gè)塑料管稱為氣管內(nèi)插管插入口，使一端到達(dá)氣管（氣管） ，而另一端連接到呼吸機(jī)。

　　然而，由于肺部分泌物、粘液或血栓，這些導(dǎo)管受阻，導(dǎo)致呼吸效率下降，并可能導(dǎo)致腦損傷甚至死亡。

　　由于只有兩到三分鐘的時(shí)間來采取適當(dāng)?shù)拇胧虼诵枰⒓辞宄氯镆允箽夤軆?nèi)導(dǎo)管通氣，否則病人將很快死亡。

　　進(jìn)行插管，需要麻醉師的專家手。但在大多數(shù)情況下，這些專家不能及時(shí)得到。因此，在這種情況下，一個(gè)智能設(shè)備可以在 ICU 或其他重要的醫(yī)院環(huán)境中使用。該裝置的傳感器可作為機(jī)械通氣管和氣管導(dǎo)管之間的連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測和檢測阻塞。

　　在使用傳統(tǒng)運(yùn)算放大器、超聲波傳感器或聲學(xué)傳感器設(shè)計(jì)智能設(shè)備后，主要的挑戰(zhàn)是電池，因?yàn)闅夤懿骞芸梢猿掷m(xù)4到8天。為了克服這一點(diǎn)，你需要開發(fā)一個(gè)電路，使設(shè)備運(yùn)行70至78小時(shí)，一次充電，有一個(gè)處理器塊和模擬前端塊，和1.5 kb 的 SRAM。一些裝置還包括腦電波頻段、心率監(jiān)測器、心房構(gòu)造探測器等。

　　降低動(dòng)態(tài)功率

　　在一個(gè)綜合系統(tǒng)中有太多的功率耗散元件。降低動(dòng)力功率是減少能源消耗的途徑之一。動(dòng)態(tài)功率是電路接通時(shí)消耗的功率。它包括開關(guān)電源和短路電源。

　　短路功率與電流有關(guān)，并直接從電源電壓流向地面。當(dāng) NMOS 和 PMOS 網(wǎng)絡(luò)同時(shí)接通時(shí)，短路功耗損失相對較小，開關(guān)功耗主導(dǎo)動(dòng)態(tài)功耗。在這里，開關(guān)電源與電壓保持二次方式。

　　二次方式與電壓、總電流、漏電流和動(dòng)態(tài)功率的比較行為有關(guān)，當(dāng)能量相對于電壓的圖形被繪制出來時(shí)。為了進(jìn)一步降低功耗，頻率調(diào)節(jié)可以與電壓調(diào)節(jié)一起進(jìn)行。降低電壓和頻率稱為動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整。根據(jù)設(shè)備的性能要求，大大降低了動(dòng)態(tài)功率。

　　然而，增加電壓頻率縮放和操作它在一個(gè)亞閾值電壓增加泄漏能量（因?yàn)槠骷ぷ鲿r(shí)間更長，在這個(gè)區(qū)域更慢）。因此，對于功率高度受限的耐磨器件，最好選擇泄漏功率和動(dòng)態(tài)功率均為最佳的亞閾值區(qū)域。

　　電壓縮放

　　電源電壓調(diào)整是為了產(chǎn)生每個(gè)塊所需的電壓水平。由于這些模塊包括一個(gè) SRAM，工作在最低電壓0.9 v 在45納米 CMOS 工藝，有一個(gè)電源管理的要求（關(guān)于模塊）。

　　而數(shù)字模塊可以在0.4 v 工作，以盡量減少電力消耗時(shí)，數(shù)據(jù)是通過無線發(fā)射機(jī)-接收機(jī)傳輸。因此，單個(gè)芯片需要多個(gè)電壓等級。所以，塊需要的電壓水平可能高達(dá)1v。

　　這種類型的電壓縮放可以給所需的電力塊。否則，如果一個(gè)塊不應(yīng)該消耗太多的電力得到一個(gè)大的電壓或電流，電池將不會持續(xù)很長時(shí)間。

　　有一些很好的架構(gòu)，如16核的 ARM 微處理器，其中每個(gè)核心需要一個(gè)動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）塊。可以使用將輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需輸出電壓電平的電壓調(diào)節(jié)器。需要集成多個(gè)電壓調(diào)節(jié)器來支持動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)。

　　因此，電源管理單元的區(qū)域主要由電壓調(diào)節(jié)器控制。隨著期望的穩(wěn)壓電平數(shù)量的增加，電壓穩(wěn)壓器的數(shù)量也會增加，從而導(dǎo)致大面積的開銷。因此，支持多個(gè)穩(wěn)壓電平與最低數(shù)量的電壓調(diào)節(jié)器需要探索。

　　漏電功率

　　漏電功率是電路不工作時(shí)消耗的功率。雖然有些活動(dòng)可以在睡眠模式下執(zhí)行，但這些活動(dòng)僅限于微控制器。通過軟編程，你可以控制傳感器和發(fā)射器塊，也就是說，當(dāng)它必須開機(jī)和當(dāng)它必須進(jìn)入深度睡眠模式。這樣可以節(jié)省很多電力。

　　當(dāng)電路工作但其中一部分不工作時(shí)，可以確定漏電功率。這意味著當(dāng)紅外傳感器、脈沖速率傳感器和 spo2傳感器試圖向微控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于控制器的某些部分仍處于非活動(dòng)狀態(tài)，所以無法正確接收數(shù)據(jù)。這種類型的電源也被稱為有源漏電，也就是說，一些塊是活躍的，而一些是非活躍的。

　　由于單個(gè)芯片中有大量的晶體管，泄漏功率變得至關(guān)重要。這一點(diǎn)變得尤為重要，尤其是當(dāng)存在多核 SoC 時(shí)，即具有交叉電壓并執(zhí)行一些虛擬電路交換操作的 SoC （在低延遲和低功耗的幫助下從一個(gè)地方傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)地方）。

　　雖然 CMOS 晶體管尺寸在縮小，器件速度在提高，但漏電流也在迅速增加。這是由于 CMOS 和 PMOS 器件中的通道長度。在加法器運(yùn)行過程中，由于平均功耗主要由功耗決定，漏電功耗的影響變得更加嚴(yán)重。因此，采用占空比技術(shù)，確保系統(tǒng)在空閑時(shí)間進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)某些區(qū)段的電源電壓降低，不需要的區(qū)段停止供電。

　　在軟編程的幫助下，這種安排節(jié)省了大量電力，同時(shí)可以進(jìn)行諸如步行和徒步旅行等操作，以及通過藍(lán)牙 LE 向基于移動(dòng)應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)備瞬間蘇醒時(shí)，它會消耗幾毫安的電量來執(zhí)行感應(yīng)、處理和通信等重復(fù)性任務(wù)，然后就會睡著，直到下一個(gè)任務(wù)被分配。

　　當(dāng)器件處于有源模式時(shí)，器件的平均功耗取決于器件的 p 有源狀態(tài)。因此，設(shè)備消耗的平均功率取決于總有效功率 + 收發(fā)器消耗的功率 + 總功率 + 總功率消耗的功能始終處于開啟狀態(tài)（即使在睡眠模式下）。

　　為了有效地管理權(quán)力，你必須關(guān)注所有這些因素。將焦點(diǎn)集中在設(shè)備的每個(gè)部件上，比如處理模塊、發(fā)送-接收模塊和穩(wěn)壓器模塊的傳感器，并以設(shè)備消耗最小可能功率的方式組裝它們。