使用能量收集技術(shù)和節(jié)能MCU實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可穿戴設(shè)備為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了新的要求，同時(shí)共享與更傳統(tǒng)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)相關(guān)的低功耗和高功能的關(guān)鍵要求。通過收集環(huán)境能量，例如體熱和運(yùn)動(dòng)，工程師可以創(chuàng)建能夠長時(shí)間運(yùn)行的可穿戴系統(tǒng)，幾乎不需要為內(nèi)部電池充電。對(duì)于工程師而言，創(chuàng)建高能效可穿戴設(shè)計(jì)依賴于能量收集技術(shù)和節(jié)能MCU，無線電和能量存儲(chǔ)設(shè)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(shè)備為有效電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。用戶期望功能豐富的可穿戴設(shè)備看起來比科技設(shè)備更時(shí)尚。因此，在功能主導(dǎo)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的地方，形式和適合性成為可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵屬性。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須在增強(qiáng)性能和低功耗之間實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵平衡，因?yàn)橛脩羝谕@得最佳性能和功能以及長時(shí)間運(yùn)行而無需頻繁拆卸以對(duì)電池充電。

能量收集可以發(fā)揮關(guān)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(shè)備中，用戶自身的體溫，運(yùn)動(dòng)或接近RF發(fā)射器可以作為重要的能源。高效的能量收集技術(shù)可以從體熱，動(dòng)能源或附近的射頻源中提取數(shù)十微瓦。

即使來自環(huán)境源的持續(xù)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(shè)計(jì)的核心，典型的基于MCU的無線傳感器系統(tǒng)在非常低功耗的睡眠狀態(tài)和相對(duì)高功率的活動(dòng)狀態(tài)之間交替進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集，處理和最終傳輸?shù)?a target="_blank">接收器（圖1）。

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

高能效MCU

專為低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的MCU在主動(dòng)運(yùn)行模式下功耗很小，在睡眠狀態(tài)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(yùn)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(duì)于需要32位性能的應(yīng)用，工程師可以找到基于能量優(yōu)化的32位內(nèi)核的各種超低功耗MCU，例如ARM Cortex-M0 +。例如，意法半導(dǎo)體的基于ARM Cortex-M0 +的STM32 L0 MCU在運(yùn)行模式下僅需要87μA/MHz，在超低功耗模式下僅需250 nA。

在傳統(tǒng)的無線應(yīng)用中，無線電收發(fā)器可以消耗不成比例的大部分系統(tǒng)在交換長而頻繁的消息時(shí)的功率預(yù)算。相比之下，無線傳感器應(yīng)用通常會(huì)生成少量傳感器數(shù)據(jù)，而且頻率較低。較短的活動(dòng)狀態(tài)和較長的睡眠周期的組合轉(zhuǎn)換成相對(duì)較低的總功率要求。在節(jié)能型無線電設(shè)備中，例如德州儀器CC2500，這些類型的短暫，不頻繁的通信突發(fā)導(dǎo)致相對(duì)適度的電流消耗（圖2）。

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

儲(chǔ)能

即使使用超低功耗MCU和收發(fā)器，如果環(huán)境源減弱或完全移除，也可能需要補(bǔ)充電源以確保持續(xù)運(yùn)行。在這里，設(shè)計(jì)人員可以找到各種各樣的電池和其他能量存儲(chǔ)設(shè)備，能夠彌補(bǔ)能量收集中可用的間歇性缺陷。

對(duì)于可穿戴應(yīng)用的電池選擇，空間限制很可能成為主導(dǎo)因素，推動(dòng)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(duì)較高的容量，以確保在各種運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行。這類電池可以在相對(duì)較高的放電速率下長時(shí)間保持標(biāo)稱電壓水平（圖3）。與傳感器應(yīng)用相關(guān)的低放電率和占空比將進(jìn)一步延長電池壽命

圖3：對(duì)于尺寸限制不太敏感的設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)稱輸出和100μA時(shí)容量約為30 mAh連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)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(shí)提供91 mAh的電流。采用能量采集設(shè)計(jì)的二次（可充電）電池?zé)o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(fù)合氧化物陰極，具有較長的循環(huán)壽命和穩(wěn)定的特性。和鋰復(fù)合電池，薄膜存儲(chǔ)設(shè)備和超級(jí)電容器提供緊湊的能量存儲(chǔ)設(shè)備。在物理尺寸最小的選項(xiàng)中，Taiyo Yuden PAS3225P3R3113等超級(jí)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(jí)電容器的快速放電特性來提供快速突發(fā)功率的設(shè)計(jì)。 PAS3225P3R3113 0.011F超級(jí)電容器的3.20 mm x 2.50 mm和1.0 mm高度可在3.3 V時(shí)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(jí)電容器時(shí)，工程師需要保護(hù)存儲(chǔ)設(shè)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(huì)降低有效容量甚至損壞設(shè)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(shè)計(jì)的IC通?？梢蕴峁└暾慕鉀Q方案。

專業(yè)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(gè)完整的能量收集子系統(tǒng) - 全部集成在一臺(tái)設(shè)備上。例如，德州儀器（TI）bq25504集成了一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器/充電器，能夠在運(yùn)行時(shí)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(shè)備中的其他設(shè)備允許工程師進(jìn)行編程欠壓和過壓保護(hù)電平，通常設(shè)置閾值，以啟用“電源良好”輸出信號(hào)，用于通知負(fù)載電路電源電壓已達(dá)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(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)能量收集和電池管理功能（圖4）。

圖4：專用設(shè)備，如德州儀器bq25504，集成了高效能量提取電路，具有先進(jìn)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(jié)論

可穿戴設(shè)備需要仔細(xì)考慮底層電子系統(tǒng)的功能，功能和尺寸，以滿足消費(fèi)者對(duì)這一新興產(chǎn)品領(lǐng)域的期望。通過將能量收集技術(shù)與超低功耗IC結(jié)合使用，工程師可以實(shí)現(xiàn)可穿戴系統(tǒng)電子設(shè)備，能夠延長這些設(shè)計(jì)中電池的使用壽命，甚至完全不再需要可更換電池。