可穿戴技術(shù)利用低功率轉(zhuǎn)換保障身體健康

摘要：本文分析了典型的可穿戴設備的設計要點，提供了一種超低靜態(tài)電流IC解決方案。本文網(wǎng)絡版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/283515.htm

關鍵詞：可穿戴設備；低功率；健康；電源

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.11.003

一度像走路或跑步計步器一樣簡單的可穿戴設備，似乎一夜之間就變得更先進或智能化了。從面向聽障人士的語音振動轉(zhuǎn)換背心、先進的健身活動跟蹤器到夜視設備甚至平視成像顯示器，可穿戴設備已經(jīng)成為消費類、軍用和工業(yè)市場的一部分。“可穿戴產(chǎn)品”可定義為具備以下特點的產(chǎn)品：用戶穿戴在身上較長時間，而且由于穿戴了該產(chǎn)品而在某種程度上擁有更好的體驗。“智能化”可穿戴產(chǎn)品則增加了連網(wǎng)能力和獨立數(shù)據(jù)處理能力。可穿戴產(chǎn)品從應用上分成5種類別：健身/保健（活動監(jiān)視器、健身帶、足部傳感器和心率監(jiān)視器）；信息娛樂（智能眼鏡/護目鏡、智能腕表和成像設備）；軍用（夜視設備、平視顯示器、人體外骨骼和智能服裝）；工業(yè)（佩戴在身上的終端）[來源：2013 IHS Electronics and Media]。這些產(chǎn)品的采用率是由不同的市場力量驅(qū)動的。就軍用類別而言，人們希望的是提高作戰(zhàn)效能以及對周圍情況的感知、地圖/路徑識別和拯救生命的能力。工業(yè)類別的主要驅(qū)動力是提高生產(chǎn)線效率和跟蹤能力。對于信息娛樂類別則是采用尖端成像及虛擬現(xiàn)實技術(shù)以持續(xù)爆炸性增長游戲市場，以及日益增加并能夠無線連接智能手機以成為“物聯(lián)網(wǎng)（IoT）”組成部分的設備。最后，保健與醫(yī)療市場的主要驅(qū)動力包括：平均壽命延長、限制不斷上升的醫(yī)療和保險費用、希望保持健康生活以及縮短住院時間。

有關健康的生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)

有關健康的生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)指的是衡量人體基本機能的生命體征數(shù)據(jù)，包括體溫、脈搏/心率、呼吸頻率和血壓。這些生命體征數(shù)據(jù)至關重要，因為這些數(shù)據(jù)中如果出現(xiàn)不好的變化，可能意味著健康水平下降，反之亦然。為了測量這些生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)，醫(yī)院和醫(yī)生診室中當然配備了齊全、昂貴的設備。不過，想象一下，如果不用去醫(yī)院就可以高效測量這些數(shù)據(jù)，而且不用花費很多，那么生活質(zhì)量會有多大改觀？例如，在家中或工作場所，可以按照實時生命體征數(shù)據(jù)即時調(diào)整生活和行為方式，這可以改善健康水平并有可能延長甚至挽救生命。幸運的是，設備成本大幅下降，先進的傳感器技術(shù)不斷進步，因此智能醫(yī)療保健可穿戴設備得以持續(xù)激增。這類可穿戴設備包括較簡單并可佩戴在身上的“單一生命體征”測量產(chǎn)品，也包括較復雜和到處都是傳感器的人體外骨骼設備。不過，從集成電路（IC）電子產(chǎn)品角度來看，劃分這些可穿戴設備的組成以及給這些設備高效供電并非微不足道之事。為了進一步理解這一點.接下來看看一個典型的智能可穿戴設備的內(nèi)部組成。

典型的智能可穿戴設備

典型智能可穿戴設備的運行靠什么驅(qū)動？可以把它想象成一個微型嵌入式系統(tǒng)。準確地劃分其組成顯然取決于設備本身。一般而言，一款智能可穿戴設備的核心架構(gòu)包括以下部分：

·一個微處理器或微控制器或類似IC：

·某些微型機電傳感器（MEMS）；

·小型機械傳動器：

·全球定位系統(tǒng)（GPS）IC；

·藍牙/蜂窩/Wi-Fi連接以收集/處理和同步數(shù)據(jù)：

·成像電子組件，LED；

·計算資源：

·可再充電或主（非可再充電）電池或電池組；

·支掙性電子組件。

可穿戴設備的主要設計要求通常是緊湊的外形尺寸、重量很輕以實現(xiàn)可穿戴性/舒適性、以及超低能耗以延長電池運行時間/壽命。不過，以最低電流消耗準確和高效地給這些設備供電并非如此簡單。與智能可穿戴設備供電有關的主要問題包括：

（1）在電池供電設備中，電源管理IC的電流消耗要很低，這對延長運行時間是至關重要的。必要使用微功率或毫微功率轉(zhuǎn)換IC。

（2）MEMS傳感器需要用穩(wěn)定和低噪聲的電源供電。動作頻繁的傳動器也能從中受益。LDO或低紋波開關穩(wěn)壓器非常適合這類軌，因為這類穩(wěn)壓器具備很低的輸出噪聲。

（3）藍牙/RF/Wi-Fi/蜂窩連接系統(tǒng)電源軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或LDO后置調(diào)節(jié)開關穩(wěn)壓器（因輸出電流可能很高）或低紋波開關穩(wěn)壓器是非常好的選擇。

（4）處理器（可穿戴設備的“大腦”）電源。從ARM Cortex MCU、DSP、GPS芯片到FPGA，都需要各種低壓電源軌，以涵蓋整個電流范圍。這些芯片可以由LDO或開關穩(wěn)壓器供電。

（5）既然不是所有可穿戴設備都由可再充電電池供電，那么有些設備可以使用主（非可再充電）電池，這類電池要求每次更換之間可運行較長時間。因此，找到一種估計電池運行時間的方法是個關鍵。

（6）緊湊的尺寸和很輕的重量使用戶感覺更加舒服。封裝緊湊的IC可構(gòu)成占板面積很小的解決方案，因此使可穿戴設備外形小且重量輕。

超低靜態(tài)電流 IC 解決方案

顯然，滿足可穿戴應用需求以及解決上述相關問題的IC解決方案應該具備以下特點：

·無論在工作模式還是停機模式，都具備超低靜態(tài)電流；

·寬輸入電壓范圍以適應各種電源；

·能夠高效地給系統(tǒng)電源軌供電（有些電源軌具備>5V的較高電壓）；

·能夠準確對電荷計數(shù)以確定電池運行時間，但對IC靜態(tài)電流（電池電量消耗）不造成顯著影響：

·占板面積小、重量輕且外形扁平的解決方案：

·先進封裝以提高熱性能和空間利用率。

幸運的是，凌力爾特不久前已推出了相關產(chǎn)品，例如超低靜態(tài)電流LTC3388/-x降壓型穩(wěn)壓器、毫微功率LTC3331能量收集穩(wěn)壓器、和集成了庫倫計數(shù)器的LTC3335降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器都已經(jīng)具備了上述大多數(shù)特點。

LTC3388是一款超低靜態(tài)電流同步降壓型穩(wěn)壓器，可用2.7V至20V輸入電源提供高達50mA的連續(xù)輸出電流。LTC3388的無負載工作電流僅為720nA，因此非常適合多種電池供電和低靜態(tài)電流應用（例如：“保持有效”電源和可穿戴設備）。其同步遲滯整流在很寬的負載電流范圍內(nèi)優(yōu)化了效率。該器件在15μA至50mA負載范圍內(nèi)還提供超過90%的效率，而且在穩(wěn)壓時的無負載靜態(tài)電流僅為720nA，因此延長了電池壽命。3mm×3mmDFN封裝（或MSOP-10）和僅5個外部組件相結(jié)合，為多種低功率應用提供了占板面積緊湊和非常簡單的解決方案。圖1顯示了LTC3388的典型應用電路。

毫微功率靜態(tài)電流IC-LTC3335和LTC3331

LTC3335是一款毫微功率高效率同步降壓一升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置的精確庫倫計數(shù)器提供高達50mA的連續(xù)輸出電流。該器件具備僅為680nA的靜態(tài)電流和從低至5mA直至高達2S0mA的可編程峰值輸入電流，非常適合多種低功率電池應用（例如：可穿戴設備和IoT設備中的電池應用）。其1.8V至5.5V輸入范圍和8個在1.8V至5V之間的用戶可選輸出用高于、低于或等于輸出的輸入，提供穩(wěn)定的輸出電源。LTC3335采用耐熱性能增強型20引線3mm×4mmQFN封裝，工作結(jié)溫范圍為-40℃至+125℃。圖2顯示了典型的LTC3335應用電路。

LTC3331是一款完整的能量收集解決方案，當可收集能量可用時，提供高達50mA的連續(xù)輸出電流以延長電池壽命。簡單的10mA分路允許用收集的能量給可再充電電池充電，同時低電池電量斷接功能保護電池免于深度放電。當用收集的能量向負載提供穩(wěn)壓電源電時，該器件僅需要電池提供200nA電源電流，而在無負載情況下用電池供電時，僅需要9S0nA工作電流。其他特點包括引腳可編程輸出電壓和降壓一升壓型峰值電流限制、一個超級電容器平衡器和一個輸入保護分路器。LTC3331采用耐熱性能增強型5mm×5mmQFN封裝。圖3顯示了LTC3331的典型應用電路。

結(jié)論

智能可穿戴設備市場近年來已出現(xiàn)爆炸性增長，出現(xiàn)了面向保健與健身、醫(yī)療、信息娛樂、軍用和工業(yè)應用領域的多種產(chǎn)品。包括使用傳感器的醫(yī)療保健可穿戴設備在內(nèi)的新一波產(chǎn)品可監(jiān)視關鍵生物統(tǒng)計信息，例如在醫(yī)院以外測量心率和血壓，這為采用更加積極、健康的生活方式創(chuàng)造了機會。智能可穿戴設備的核心架構(gòu)視產(chǎn)品類型而定，但基本上由一個微控制器、MEMS傳感器、無線連接電路、電池和支持性電子組件組成。給小電流可穿戴設備供電可以證明是非常具挑戰(zhàn)性的，不過凌力爾特提供了一系列性能非常高、功率非常低的尖端產(chǎn)品。例如有超低靜態(tài)電流LTC3388能量收集降壓型穩(wěn)壓器等器件、以及面向毫微功耗的LTC3331能量收集降壓型穩(wěn)壓器和集成了庫倫計數(shù)器的LTC3335降壓一升壓型穩(wěn)壓器，這可以極大地簡化并提高智能可穿戴設備的性能。