作者/Steve Knoth 凌力尔特公司电源产品部高档产品商场工程师
导言
可穿戴设备不再仅是在炫酷的科幻电影中才干看到的东西 ，运用可穿戴设备也不再仅仅愿望，可穿戴设备现已蔚成风气。开始，可穿戴设备很简略，例如走路或跑步运用的计步器。现在，可穿戴设备就变得比较先进了，或许说愈加智能了，包含愈加注重外观规划而不仅仅注重功用，因而，增大了这类设备的整体吸引力。从智能服装、谷歌眼镜、先进的健身活动跟踪器、虚拟现实设备、夜视设备到平视显现器，可穿戴设备现已成为干流消费、军用和工业商场的组成部分。“可穿戴设备”可定义为用户可以长期穿戴的产品，经过穿戴这种产品，用户体会以某种办法得到了进步。“智能的”可穿戴设备增加了衔接功用和独立的数据处理功用。可穿戴设备分红 5 种运用子类：健身 / 健康 (活动监督器、健身腕带、脚踏计和心率监督器)、信息文娱 (智能眼镜/防护镜、智能手表和成像设备)、军用 (夜视设备、平视显现器、人体外骨骼和智能服装)和工业 (可穿戴终端)(信息来历：HIS Electronics and Media，2013)。这些运用的选用率是由不同的商场驱动力推进的。就军事运用而言，驱动力是期望改进情境辨认才能、地图 / 道路、战役功率及抢救生命;就工业运用而言，首要的驱动力是进步生产线功率和追寻才能;就信息文娱运用而言，驱动力来自选用顶级成像和虚拟现实技能的继续爆炸性增加之游戏商场，以及越来越多可以无线衔接智能手机以使其成为“物联网 (IoT)”组成部分的设备;就健康和医疗商场而言，首要的驱动力包含：预期寿数延伸、削减医疗保险费用不断上涨，以及延伸健康日子时刻和削减住院。
1运用生物核算信息完成健康日子
生物核算信息反映的是人体基本功用的生命体征。这类信息包含体温、脉息 / 心率、呼吸频率和血压。这些信息至关重要，由于生命体征呈现负面改动或许表明健康度下降，反之亦然。明显，医院和医师诊室都装备了贵重的设备，以丈量这些生物核算信息。不过，假如这些生物核算信息可以高效、低成本地在医疗环境以外丈量，那么日子质量就有或许得到很大的改进。例如，在家中或许在作业环境中，可以随时随地实时地改动日子办法和行为办法，然后改进健康度，并有或许延伸乃至抢救生命。走运的是，由于设备价格下降和传感器技能改进，用于医疗保健意图的智能可穿戴设备呈现了激增。这其间包含较简略和可以附着在身体上的“单体征”检测产品，也包含较杂乱、充溢传感器且掩盖全身的人体外骨骼。不过，从集成电路 (IC) 电子组件的视点来看，给这些可穿戴设备分区并为其高功率供电并非微乎其微之事。为了进一步了解这一点，咱们接下来深化分析典型的智能可穿戴设备。
2典型智能可穿戴设备
典型智能可穿戴设备包含哪些功用? 人们或许会把这种设备当作微型嵌入式体系。明显，精确分区取决于设备本身，不过，一般来说，智能可穿戴设备的中心架构由以下各部分组成：
一个微处理器或微控制器或相似的 IC;
某些品种的微型机电传感器 (MEMS);
小型机械致动器;
全球定位体系 (GPS) IC;
蓝牙 / 蜂窝 / Wi-Fi 衔接，以搜集 / 处理和同步数据;
成像电子组件，LED;
核算资源;
可充电或主 (非可充电) 电池或电池组;
支撑性电子组件。
可穿戴产品的首要规划方针通常是完成紧凑的外形尺度、轻分量以完成可穿戴性 / 舒适性，以及超低的能耗以延伸电池运转时刻 / 寿数。不过，用最小的电流高效、精确地给这类设备供电并不那么简略。与智能可穿戴设备供电有关的一些要害问题如下：
1) 在电池供电设备中，电源办理 IC 能否耗费很小的电流对延伸运转时刻至关重要。微功率或毫微功率转化 IC 是必要的。
2) MEMS 传感器要求用噪声很低的安稳电源供电。繁忙的致动器也可以获益。LDO 或低纹波开关稳压器十分合适这种轨，由于这些稳压用具很低的输出噪声。
3) 蓝牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窝衔接体系轨也要求低噪声。低压差稳压器或 (由于输出电流或许很大) LDO 后稳压开关稳压器或低纹波开关稳压器都是极好的挑选。
4) 处理器 (可穿戴设备的“大脑”) 电源。从 ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片到 FPGA，都需求各种低压轨，以全方位包含各种巨细的电流。这些组件可以由 LDO 或开关稳压器供电。
5) 不是一切可穿戴设备都由可充电电池供电，有些或许运用主 (非可充电) 电池，而这类电池需求在两次替换之间供给较长的运转时刻，因而，找到估量电池运转时刻的办法是要害。
6) 紧凑的尺度和很轻的分量使可穿戴设备更舒适易用。选用紧凑型封装的 IC 可构成占板面积很小的解决方案，然后使设备既可以具有小的外形尺度、分量又很轻。
3超低静态电流 IC 解决方案
明显，满意可穿戴运用需求的 IC 解决方案以及上面评论的相关问题应该具有以下特性：
• 超低静态电流，不管是运转形式仍是停机形式;
• 很宽的输入电压规模，以合适各种电源;
• 可以高功率给体系轨 (有些具 >5V 的较高电压) 供电;
• 可以精确地进行库伦计数以确认电池运转时刻，且不会明显影响 IC 静态电流 (电池耗费电流);
• 占板面积很小、分量很轻的扁平解决方案;
• 先进的封装以可改进热功用和空间利用率。
凌力尔特公司最近推出了一些产品，例如超低 IQ LTC3388/-x 降压型稳压器、毫微功率 LTC3331 能量搜集稳压器，以及集成了库伦计数器的 LTC3335 降压-升压型转化器都现已具有了大部分这些特性。
LTC3388 是一款超低静态电流同步降压型转化器，在 2.7V 至 20V 输入电源电压规模内，可供给高达 50mA 接连输出电流。LTC3388 的无负载作业电流仅为 720nA，然后使该器材十分合适多种电池供电的低静态电流电源运用，例如“继续运作型”电源和可穿戴设备。其迟滞同步整流在很宽的负载电流规模内优化了功率。针对 15µA 至 50mA 的负载而言，该器材还供给超越 90% 的功率，且在安稳时仅需求 720nA 无负载静态电流，因而延伸了电池寿数。LTC3388 选用 3mm x 3mm DFN 封装 (或 MSOP-10)，仅需 5 个外部组件，因而可以为多种低功率运用构成十分简洁和占板面积十分紧凑的解决方案。图 1是LTC3388的典型运用电路。
图 1 简洁的 LTC3388-1 典型低压运用电路
4毫微功率静态电流 %&&&&&%
LTC3335 是一款毫微功率高功率同步降压-升压型转化器，内置了精确的库伦计数器，供给高达 50mA 接连输出电流。该器材具仅为 680nA 的静态电流，可编程峰值输入电流从低至 5mA 直至 250mA，十分合适多种低功率电池运用，例如在可穿戴设备和 IoT 设备中见到的那些运用。其 1.8V 至 5.5V 输入电压规模和 8 个 1.8V 至 5V 的用户可选输出答应在输入电压高于、低于或等于输出电压时，供给安稳的输出电源。此外，该器材集成的精确 (±5% 电池放电丈量精确度) 库伦计数器可在长寿数不行再充电的电池供电运用中，对累积电池放电供给精确监督，这类运用在许多情况下具极端平整的电池放电曲线。典型运用包含无线传感器、长途监督器和凌力尔特的 Dust Networks® SmartMesh® 体系。LTC3335 包含 4 个内部低 RDSON MOSFET，可供给高达 90% 的功率。其他特色包含一个可编程放电报警门限、一个用于存取库伦计数值和器材设定的 I2C 接口、一个电源杰出输出和 8 个 5mA 至 250mA 的可选峰值输入电流以合适多品种型和尺度的电池。选用耐热增强型 20 引线 3mm x 4mm QFN 封装的 LTC3335 的作业结温规模为 -40°C 至 +125°C。图 2 是LTC3335的典型运用电路。
图 2 简化的 LTC3335 运用原理图
LTC3331是一款完好的能量搜集解决方案，供给高达 50mA 接连输出电流，当可搜集能量可用时能延伸电池寿数。简洁的 10mA 分流器用搜集的能量给可充电电池充电，一起低电池电量断接功用维护电池免于深度放电。当用搜集的能量向负载供给安稳功率时，该器材仅需求电池供给 200nA 电源电流，当在无负载情况下由电池供电时，仅需求 950nA 作业电流。LTC3331 集成了一个高压能量搜集电源、一个电池充电器和一个同步降压-升压型 DC/DC 转化器，可为能量搜集运用供给一个继续安稳的输出，例如无线传感器网络中的能量搜集运用。能量搜集电源由合适 AC 或 DC 输入的全波桥式整流器和高功率降压型转化器组成，从压电 (AC)、太阳能 (DC)、或磁性 (AC) 动力搜集能量。当没有搜集能量可用时，可充电电池输入给降压-升压型转化器供电，该转化器在直至 4.2V 的整个电池电压规模内运转，不管输入高于、低于或等于输出，都可调理输出。当搜集动力不再可用时，LTC3331 主动转化至电池。LTC3331 的能量搜集输入在 3V 至 19V AC 或 DC 电压规模内运转，然后使该器材十分合适多种压电、太阳能或磁功用源。其输入欠压闭锁门限设定是可编程的，规模为 3V 至 18V，然后使运用可以在峰值功率传送点上运转能量搜集电源。其他特色包含引脚可编程输出电压和降压-升压峰值电流约束、一个超级%&&&&&%器平衡器和一个输入维护性分路器。LTC3331 选用耐热增强型 5mm x 5mm QFN 封装。图 3 显现了 LTC3331 的典型运用电路。
图 3 LTC3331 的典型运用电路
5定论
智能可穿戴设备不再仅是虚拟的电影小工具，智能可穿戴设备商场正处于爆炸性增加，这个商场包含多种着重规划漂亮和功用的产品，以及面向健康和健身、医疗、信息文娱、军事和工业运用领域的产品。例如，充溢传感器的医疗保健可穿戴产品可在医疗设备外外监督要害的生物核算信息，例如心率和血压，为具有更活跃、更健康的日子办法发明了时机。智能可穿戴设备的中心架构取决于产品类型，但本质上都是由微控制器、MEMS 传感器、无线衔接、电池和支撑性电子组件组成。给小电流可穿戴设备高功率供电可以证明是十分有挑战性的，不过凌力尔特供给了一系列抢先的、可以以低功率供给十分高功用的产品，这些产品现已协助促进了可穿戴设备商场的增加。比如超低 Iq LTC3388 能量搜集降压型稳压器以及毫微功耗的 LTC3331 能量搜集降压型稳压器和集成了库伦计数器的 LTC3335 降压-升压型稳压器等器材，都可以显着地简化和改进智能可穿戴设备的功用。
