提高能源效率的瘦身健康設(shè)備

本文介紹了設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備的一些獨(dú)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(jì)量的重要性，并以摘要結(jié)束，描述了針對(duì)這些超便攜/可穿戴應(yīng)用優(yōu)化的高度集成設(shè)備的示例。

介紹

隨著人們轉(zhuǎn)向電子產(chǎn)品進(jìn)行娛樂，身體活動(dòng)可能會(huì)減少并導(dǎo)致健康問題。雖然技術(shù)可能是肥胖的原因之一，但技術(shù)也可以用來解決這個(gè)問題。今天，有電子計(jì)步器和健身追蹤器通過報(bào)告活動(dòng)水平來鼓勵(lì)更多的身體活動(dòng)，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(xiàng)數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，并且它們繼續(xù)增加簡(jiǎn)單的計(jì)步功能，以幫助促進(jìn)身體活動(dòng)。然而，為了使這些設(shè)備中的任何一個(gè)有效，需要使用它們。對(duì)于人們使用它們，它們需要不顯眼且維護(hù)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(zhǎng)時(shí)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(guān)，因此很難在不使設(shè)備更大更重的情況下延長(zhǎng)充電之間的時(shí)間。由于電池通常是可穿戴設(shè)備中最大的組件之一，因此在設(shè)計(jì)中需要在功率預(yù)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(shè)備的尺寸和重量。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)可以提高這些設(shè)備的利用率，并對(duì)社區(qū)的整體健康產(chǎn)生積極影響。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

為了減小這些可穿戴設(shè)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(shè)備與任何其他電池供電的應(yīng)用一樣，但規(guī)模要小得多，需要不同級(jí)別的優(yōu)化。

可穿戴設(shè)備必須快速管理功耗更高的任務(wù)，并盡可能多地處于空閑待機(jī)狀態(tài)（圖 1）。但這里可用的電流明顯小于典型的移動(dòng)應(yīng)用程序。為了從50mAhr電池獲得一周的運(yùn)行時(shí)間，平均電流需要小于300μA。 將25%的功率預(yù)算分配給待機(jī)時(shí)小于75μA。具有靜態(tài)電流（IQ） 的電流為 30μA 將消耗該預(yù)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(jī)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(shè)，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(yù)算。因此，在大動(dòng)態(tài)負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化功耗需要權(quán)衡取舍，并仔細(xì)注意詳細(xì)的功率規(guī)格。

圖1.簡(jiǎn)單說明可穿戴監(jiān)視器設(shè)備在三種不同模式下預(yù)期運(yùn)行的時(shí)間。

降低電壓

無論是處于活動(dòng)狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，可穿戴設(shè)備中的組件都需要電源才能運(yùn)行。為了減少電池的負(fù)載，我們必須最大限度地減少功耗。請(qǐng)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(guān)。當(dāng)繪制電阻的電流和功耗與施加的電壓時(shí)，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(guān)系

雖然有源器件不是純阻性負(fù)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(huì)隨著所施加電壓的平方而變化。通過將 KC5032 振蕩器等簡(jiǎn)單有源器件的電流和功耗與電阻器的電流和功耗進(jìn)行比較，可以看出這方面的一個(gè)例子（圖 3）。這種電壓平方關(guān)系部分解釋了為什么每瓦計(jì)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(zhuǎn)換效率低下，輸入電流基本等于輸出電流。

許多設(shè)備出于節(jié)能和其他原因在內(nèi)部調(diào)節(jié)電壓。內(nèi)部調(diào)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(guān)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(jìn)行選擇，并在輸入電壓范圍的低端運(yùn)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(diào)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(nèi)部的線性穩(wěn)壓器可以通過允許內(nèi)部電路消耗更少的電流來降低功耗。然而，線性調(diào)節(jié)并不能充分利用電壓降低的優(yōu)勢(shì)。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(diào)節(jié)消耗。

需要一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器來充分利用降低的電壓。一個(gè)通用的開關(guān)穩(wěn)壓器可以輕松消耗整個(gè)待機(jī)功率預(yù)算。由于這些設(shè)備在待機(jī)狀態(tài)下花費(fèi)了如此高的百分比，因此過去有必要犧牲主動(dòng)效率并使用低I。Q線性穩(wěn)壓器。幸運(yùn)的是，目前有低于1μA I的降壓穩(wěn)壓器Q這使得活動(dòng)與備用效率權(quán)衡變得不必要。

移動(dòng)到這些低I之一的電池電流降低Q監(jiān)管機(jī)構(gòu)可能相當(dāng)戲劇化。如果組件可以從1.8V運(yùn)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(dāng)輸出電壓>輸入電壓的80%時(shí)。降壓穩(wěn)壓器的效率通常約為90%。當(dāng)從3.7V穩(wěn)壓到3.2V時(shí)，即使是線性穩(wěn)壓器也能達(dá)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(guān)系圖顯示，對(duì)于小于1mA的負(fù)載，1μA降壓穩(wěn)壓器在調(diào)節(jié)至1.8V時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但請(qǐng)注意，調(diào)節(jié)至3.2V時(shí)幾乎沒有區(qū)別。由于這些器件待機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)，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(qǐng)記住，并非所有開關(guān)轉(zhuǎn)換器都是平等的。仔細(xì)檢查轉(zhuǎn)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(nèi)部穩(wěn)壓器并不總是實(shí)現(xiàn)最低功耗的最佳選擇。審查內(nèi)部監(jiān)管機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)與審查外部監(jiān)管機(jī)構(gòu)同樣重要。當(dāng)內(nèi)核電壓降至1.8V以下時(shí)，從線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)向開關(guān)穩(wěn)壓器可將內(nèi)核功耗降低一半以上。這正是許多微控制器提供禁用內(nèi)部穩(wěn)壓器的能力的原因。假設(shè)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(jiǎn)單地使用微控制器提供的內(nèi)核調(diào)節(jié)的誘惑，可能會(huì)造成嚴(yán)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(yàn)之一是設(shè)備意外停止。一位拿著計(jì)步器的跑步者感嘆道：“但電池條仍然很好看？當(dāng)電池指示燈顯示仍有可用電量時(shí)，沒有人希望設(shè)備關(guān)閉。因此，指標(biāo)的準(zhǔn)確性至關(guān)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(bào)告給用戶的可用電量中減去。為了保證充電之間的最短時(shí)間，電池必須“過大”，以允許測(cè)量不準(zhǔn)確。

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

可充電鋰電池很難僅通過電壓進(jìn)行監(jiān)控。簡(jiǎn)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(yùn)的是，有專門設(shè)計(jì)的電量計(jì)來滿足這些應(yīng)用的要求。美信集成的專有產(chǎn)品。模型儀表?算法為報(bào)告電池容量提供了最佳準(zhǔn)確性。大多數(shù)人都會(huì)同意，當(dāng)您試圖保持薄型或延長(zhǎng)充電間隔時(shí)間時(shí)，準(zhǔn)確的電池 SOC 測(cè)量可能是無價(jià)的。

圖5.即時(shí)電池電壓不是 SOC。

將一切整合在一起

設(shè)計(jì)微型可穿戴設(shè)備的挑戰(zhàn)需要與典型的移動(dòng)應(yīng)用程序不同的優(yōu)化。以前被認(rèn)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(guān)鍵因素。不僅每個(gè)功能都需要針對(duì)新的功率約束進(jìn)行優(yōu)化，而且必須在盡可能小的空間內(nèi)實(shí)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(guān)重要。

幸運(yùn)的是，有針對(duì)這些可穿戴應(yīng)用優(yōu)化的集成設(shè)備。單芯片可穿戴充電管理解決方案將電源調(diào)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(shí)現(xiàn)具有最佳調(diào)節(jié)的較低電壓，該器件包括一個(gè) 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(jìn)行精確的電池監(jiān)控，它采用了ModelGauge技術(shù)。它還集成了這些可穿戴應(yīng)用中常見的其他功能：顯示/背光電源、電源開/關(guān)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?，F(xiàn)在，他們可以提供人們可能實(shí)際使用的最佳動(dòng)力、更小、更輕、不那么突兀的可穿戴設(shè)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(shù)以及可穿戴健身設(shè)備的所有功能。

審核編輯：郭婷