提高可穿戴设备的电池续航

薄、小、轻—这些是对可穿戴设备的基本要求,也解释了为什么可穿戴技术的限制是电池续航的长短。传统符合要求的电池有锂电池纽扣电池,这种电池对传感器和其他的小功率穿戴设备来说足够了,但它很难跟上越来越多的可穿戴设备的脚步,比如健康带和智能手表。现在大多数智能手表电池只够用一天。更有甚者,可能在4月份发布的万众瞩目的Apple Watch,其电池续航仅为2.5个小时

 图一:Apple Watch是苹果第一款可穿戴,具有革命性的新技术和开创性的用户界面。(照片由苹果公司提供)

图一:Apple Watch是苹果第一款可穿戴,具有革命性的新技术和开创性的用户界面。(照片由苹果公司提供)

对这些类型的设备来说,提高电池续航是获取市场份额的关键,这将是一个庞大的市场,预测将在2018年达到3.8亿个单位。能量收集,无线充电,电池管理,电源管理和低消耗解决方案都是在可穿戴设计中提高续航的可选择方案。本文章将突出介绍有关这些领域的最新产品,来帮助可穿戴设备的设计师们创造优秀的电源方案并更好的做好电源分配工作。

能量收集电源管理

能量汲取于身体,如体温和肢干的运动,或者来自环境如环境光线携带的仅微瓦到毫瓦单位的能量—不足以支撑智能手表的使用。德州仪器(TI)有一种设备,bq25570,它能把收集到的300到400毫瓦一下推到能给电池充电的3到5V。虽然现在这不能产生足够智能手表工作的电量,但至少能延长工作时间。“超低功耗高能量采集管理集成电路”如bq25570,也包括一个提供能第二种电力运营系统的高效nano-电源降压变换器。

传统电池充电(usb或适配器)

我们当然可以给可穿戴设备的电池用传统方式充电,通过usb或适配器连接。TI的新bq25100单电池锂电池充电器提供了一个微型解决方案几乎相当于现存电源方案的一半,同时它又能在成本敏感的可穿戴市场里支持低成本适配器的使用。充电器有高达30V的输入电压和6.5V的输入电压保护,除了其他的保护参数。Maxim的MAX14676/76A为可穿戴设备的电源充电管理提供了另一种选择。高度集成的MAX14676/76A,我们可以把它描述为“可穿戴电源管理方案集成电路”,它不止包括线性的充电电路,也包括延长续航时大量的低消耗能源管理周边节约主机板的空间。这些包括一个1.8V的低静态电流(lq)200mA的降压调节器,3.2V的低静态电流100mA低压差线性稳压器(LDO),2.0V“永远打开”50µA LDO,+5V安全输出LDO,6.6V低Lq120µA电荷泵,甚至5V到17V的输出激增转换器可支持广泛种类的显示选项。

bq25100和MAX14676/76A都能与无线电力接收器/发射器搭配,提供可穿戴设备设计的无线充电能力。

Qi-Compliant无线充电方案

无线充电由于其便捷性变得很受穿戴设备的欢迎。和传统线性充电方式相比,消费者更倾向于直接把智能手表放在无线充电基座上,而不是到处找充电线和插座并连接三者为智能手表充电。因此,许多的无线充电方案适用于种类丰富的产品。以下重点介绍了德州仪器的方案。

TI提供了一个无线充电方案的前沿设计,TIDA-00318,可适用于低功率穿戴设备。这种方案可以搭配之前我们介绍过的bq25100单电池锂电池线性充电器,和一个Qi compliant无线电源接收器来满足整个Qi compliant无线充电方案。Qi是一个无线充电设备的国际互通标准;任何Qi认证的无线电源接收设备,如Moto 360 智能手表,能够在有Qi认证的所有基座上完成充电。因此,任何执行TIDA-00318的可穿戴设备都该获得Qi认证在Qi充电基座上工作。TIDA-00318为135mA充电规格而设计,而且体积很小,仅为5x15mm2。

对一个更小的可穿戴设备无线充电接收器方案,TI有TIDA-00329参考设计。它只有5.23mm x 5.48mm合并了你bq51003 Qi compliant无线电源接收器或bq51050B/51B Qi compliant 无线充电。这种微型设计能提供高达2W的电量。

在无线电源发射器上,或者可穿戴设备无线充电方案充电基座的一面,TI提供了TIDA-00334参考设计。在小型可穿戴设备发射器的设计上采用了bq500212A IC。微型usb连接器的电源是5V。低功率设计支持接收器的输出功率高达2.5W。

TIDA-00334无线发射器参考设计陈列在一个30mm的区域内,匹配Wurth coil760308101103的圆直径,只比一个15分美元或2欧硬币大一点。

图二:Wurth Elektronik's WE-WPCC 无线充电接受器线圈符合WPC的Qi标准。

图二:Wurth Elektronik's WE-WPCC 无线充电接受器线圈符合WPC的Qi标准。

电源管理

极低的电源转换对实现可穿戴设备最佳的电源续航来说很危险。以下是一些最新的低功率产品或者高效直流-直流转换产品。

TI的 TPS727xx系列,250mA LDOs 特色是有着极小的仅为7.9µA静态电流,低流失(100mA典型电压为65mV,200mA典型电压为130mV,250mA典型电压为163mV),宽输出电压和负载瞬态响应。LDO还有一个特点是有着高电源电压抑制比(PSRR),在RF应用上有着1kHz 70dB的平稳表现,有着小的低成本的10µA陶瓷电容器。

如今TI推出的还有TPS82740B 200mA降低转换模块,在能提供95%的转换率,在工作时仅消耗360nA lq,而安静时更仅为70nA。小型模块可用于完全整合,合并了交换调整器,感应器和输入/输出电容9-bump MicroSiP™组件,实现了仅6.7mm2大小的尺寸。

图3: 低功率TPS82740x 360nA Micro SIP 降低转换器模块

图3: 低功率TPS82740x 360nA Micro SIP 降低转换器模块

递增的或激增的转换通常不如降压转换有效率。然而,加大电源电压对系统中不同的电路来说很有必要,特别是演示。Maxim有新1A增压器,MAX8627能使单电池锂电池产生激增的输出电压从3V到5V,高达95%的转换率只消耗20µA lq。硅谷实验室现在有TS33x增压器,拥有行业领导的低至150nA的lq。TS33x增加输入电压从0.9V到3.6V,并且有8个可选择的范围为1.8V到5V的输出电压。

蓝牙,微控制器和其它低功率方案

事实上,系统中的所有东西都需要考虑到,当试图延长可穿戴设备电池续航时。

一个常见的省电的方式就是关闭一些高耗电的功能,如在其他东西上处理显示,比如智能手表,写字板,或电脑。Bluetooth® Smart或者叫低耗蓝牙,自动被加入大多数新智能手表中,因此是可穿戴设备无线交流方式标准。蓝牙也可用于从智能手机传送信息到智能手表,并且TI提供了一个“蓝牙可穿戴手表发展系统”叫做 TI Meta Watch™ 确保了相关手表设备的快速发展。Meta Watch SDK/API 使在手表上从手机应用或网络服务上接受信息很容易。开发系统包括有显示屏的智能手表,和一个3 ATM 防水不锈钢外壳,皮带表,矿石水晶镜面,震动电机,三轴加速计,和环境光感应器。

图4:德州仪器Meta Watch™ Bluetooth® 可穿戴手表开发系统确保了“可连接手表”应用的快速发展。

图4:德州仪器Meta Watch™ Bluetooth® 可穿戴手表开发系统确保了“可连接手表”应用的快速发展。

Meta手表平台已为低功率运行优化,基于TI16位的MSP430™超低功率的微控制器 (MCU)和CC2564蓝牙主控器界面方案。

选择MCU对可穿戴设备的电源管理很重要,高效的MCU能加速载入数据并迅速进入睡眠,保存电量。低能睡眠模式在系统不被使用时能有效减少电源消耗。可穿戴设备的设计者比之前有更多MCU的选择,32位比16位更有成本竞争力。为成本和功率敏感的MCU优化的ARM’s Cortex-M series32位处理器核心已经能预见到在可穿戴市场的成功。从超低功耗的Cortex-M0 and M0到高性能的 Cortex-M7,ARM Cortex-M 系列可以提供能满足不同需求的各种穿戴设备。基于ARM-Cortex-M系列的MCU如今许多厂商都可提供,包括德州仪器,和STMMicroelectronics,有着STM32 MCU巨大的生产线,包括STM32L1和L0 超低功耗MCU。

最后,一定要考虑到可穿戴设备中无数的传感器的电源管理。传感器技术的发展是加剧可穿戴市场发展的燃料。但是我们不能忘记传感器的外围电路。STMicro可用于有低功耗传感器信号调理的可穿戴传感器,通过提供QA4NP线组,每信道只消耗580nA的低功耗运算放大器(在1.8V的电源供给下)。

这只是一小部分,关于现在低耗管理技术,和产品如何协作,来创造能满足有急切需求的可穿戴市场的超低电源系统。然而,认识到超低功耗设备不止足于穿戴设备很重要;新的低耗技术也能应用于其他的应用程序,那些很难保存电量的程序。

原文链接:
http://www.mouser.com/applications/battery-life-wearable-devices/

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