高效率、低功率轉(zhuǎn)換 IC 提高可穿戴設(shè)備性能并改善生活工作條件

　　背景信息

　　可穿戴設(shè)備不再僅是在炫酷的科幻電影中才能看到的東西 (感謝《007》、《少數(shù)派報(bào)告》、《至尊神探》這些電影!)，使用可穿戴設(shè)備也不再只是夢(mèng)想，可穿戴設(shè)備已經(jīng)蔚然成風(fēng)。最初，可穿戴設(shè)備很簡單，例如走路或跑步計(jì)步器。不過，經(jīng)過短時(shí)間后，可穿戴設(shè)備就變得比較先進(jìn)了，或者說更加智能了，包括更加重視外觀設(shè)計(jì)而不是只重視功能，因此增大了這類設(shè)備的總體吸引力。從智能服裝、谷歌眼鏡、先進(jìn)的健身活動(dòng)跟蹤器、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、夜視設(shè)備到平視顯示器，可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為主流消費(fèi)、軍用和工業(yè)市場(chǎng)的組成部分。“可穿戴設(shè)備”可定義為用戶可以長時(shí)間穿戴的產(chǎn)品，而且由于穿戴了這種產(chǎn)品，用戶體驗(yàn)以某種方式得到了提升。“智能的”可穿戴設(shè)備增加了連接功能和獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理功能?？纱┐髟O(shè)備分成 5 種應(yīng)用子類：健身 / 健康 (活動(dòng)監(jiān)視器、健身腕帶、腳踏計(jì)和心率監(jiān)視器);信息娛樂 (智能眼鏡/防護(hù)鏡、智能手表和成像設(shè)備);軍用 (夜視設(shè)備、平視顯示器、人體外骨骼和智能服裝);工業(yè) (可穿戴終端) [信息來源：HIS Electronics and Media，2013]。這些應(yīng)用的采用率是由不同的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)的。就軍事應(yīng)用而言，驅(qū)動(dòng)力是希望改善情境識(shí)別能力、地圖 / 路線、戰(zhàn)斗效率以及挽救生命。就工業(yè)應(yīng)用而言，主要的驅(qū)動(dòng)力是提高生產(chǎn)線效率和追蹤能力。就信息娛樂應(yīng)用而言，驅(qū)動(dòng)力來自采用尖端成像和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的持續(xù)爆炸性增長之游戲市場(chǎng)，以及越來越多能夠無線連接智能手機(jī)以使其成為“物聯(lián)網(wǎng) (IoT)”組成部分的設(shè)備。最后，就健康和醫(yī)療市場(chǎng)而言，主要的驅(qū)動(dòng)力包括：預(yù)期壽命延長、削減醫(yī)療保險(xiǎn)費(fèi)用不斷上漲、以及延長健康生活時(shí)間和減少住院。

　　運(yùn)用生物統(tǒng)計(jì)信息實(shí)現(xiàn)健康生活

　　生物統(tǒng)計(jì)信息反映的是人體基本功能的生命體征。這類信息包括體溫、脈搏 / 心率、呼吸頻率和血壓。這些信息至關(guān)重要，因?yàn)樯w征出現(xiàn)負(fù)面變化可能表示健康度下降，反之亦然。顯然，醫(yī)院和醫(yī)生診室都配備了昂貴的設(shè)備，以測(cè)量這些生物統(tǒng)計(jì)信息。不過，如果這些生物統(tǒng)計(jì)信息能夠高效、低成本地在醫(yī)療環(huán)境以外測(cè)量，那么生活質(zhì)量就有可能得到很大的改善。例如，在家中或者在工作環(huán)境中，可以隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)地改變生活方式和行為方式，從而改善健康度，并有可能延長甚至挽救生命。幸運(yùn)的是，由于設(shè)備價(jià)格降低和傳感器技術(shù)改進(jìn)，用于醫(yī)療保健目的的智能可穿戴設(shè)備出現(xiàn)了激增。這其中包括較簡單和可以附著在身體上的“單體征”檢測(cè)產(chǎn)品，也包括較復(fù)雜、充滿傳感器且覆蓋全身的人體外骨骼。不過，從集成電路 (IC) 電子組件的角度來看，給這些可穿戴設(shè)備分區(qū)并為其高效率供電并非微不足道之事。為了進(jìn)一步理解這一點(diǎn)，我們接下來深入剖析典型的智能可穿戴設(shè)備。

　　典型智能可穿戴設(shè)備

　　典型智能可穿戴設(shè)備包括哪些功能? 人們可能會(huì)把這種設(shè)備看成微型嵌入式系統(tǒng)。顯然，準(zhǔn)確分區(qū)取決于設(shè)備自身，不過，一般而言，智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)由以下各部分組成：

　　一個(gè)微處理器或微控制器或類似的 IC

　　某些種類的微型機(jī)電傳感器 (MEMS)

　　小型機(jī)械致動(dòng)器

　　全球定位系統(tǒng) (GPS) IC

　　藍(lán)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(jì)算資源

　　可充電或主 (非可充電) 電池或電池組

　　支持性電子組件

　　可穿戴產(chǎn)品的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)通常是實(shí)現(xiàn)緊湊的外形尺寸、輕重量以實(shí)現(xiàn)可穿戴性 / 舒適性、以及超低的能耗以延長電池運(yùn)行時(shí)間 / 壽命。不過，用最小的電流、高效率、準(zhǔn)確地給這類設(shè)備供電并不那么簡單。與智能可穿戴設(shè)備供電有關(guān)的一些關(guān)鍵問題如下：

　　1) 在電池供電設(shè)備中，電源管理 IC 能否消耗很小的電流對(duì)延長運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要。微功率或毫微功率轉(zhuǎn)換 IC 是必要的。

　　2) MEMS 傳感器要求用噪聲很低的穩(wěn)定電源供電。繁忙的致動(dòng)器也可以受益。LDO 或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合這種軌，因?yàn)檫@些穩(wěn)壓器具很低的輸出噪聲。

　　3) 藍(lán)牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窩連接系統(tǒng)軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或 (因?yàn)檩敵鲭娏骺赡芎艽? LDO 后穩(wěn)壓開關(guān)穩(wěn)壓器或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器都是極好的選擇。

　　4) 處理器 (可穿戴設(shè)備的“大腦”) 電源。從 ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片到 FPGA，都需要各種低壓軌，以全方位涵蓋各種大小的電流。這些組件可以由 LDO 或開關(guān)穩(wěn)壓器供電。

　　5) 不是所有可穿戴設(shè)備都由可充電電池供電，有些也許使用主 (非可充電) 電池，而這類電池需要在兩次更換之間提供較長的運(yùn)行時(shí)間，因此，找到估計(jì)電池運(yùn)行時(shí)間的方法是關(guān)鍵。

　　6) 緊湊的尺寸和很輕的重量使可穿戴設(shè)備更舒適易用。采用緊湊型封裝的 IC 可構(gòu)成占板面積很小的解決方案，從而使設(shè)備既能夠具有小的外形尺寸、重量又很輕。

　　超低靜態(tài)電流 IC 解決方案

　　顯然，滿足可穿戴應(yīng)用需求的 IC 解決方案以及上面討論的相關(guān)問題應(yīng)該具備以下特性：

　　• 超低靜態(tài)電流，無論是運(yùn)行模式還是停機(jī)模式

　　• 很寬的輸入電壓范圍，以適合各種電源

　　• 能夠高效率給系統(tǒng)軌 (有些具 >5V 的較高電壓) 供電

　　• 能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行庫倫計(jì)數(shù)以確定電池運(yùn)行時(shí)間，且不會(huì)顯著影響 IC 靜態(tài)電流 (電池消耗電流)

　　• 占板面積很小、重量很輕的扁平解決方案

　　• 先進(jìn)的封裝以可改善熱性能和空間利用率

　　幸運(yùn)的是，ADI公司最近推出了一些產(chǎn)品，例如超低 IQ LTC3388/-x 降壓型穩(wěn)壓器、毫微功率 LTC3331 能量收集穩(wěn)壓器以及集成了庫倫計(jì)數(shù)器的 LTC3335 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器都已經(jīng)具備了大部份這些特性。

　　LTC3388 是一款超低靜態(tài)電流同步降壓型轉(zhuǎn)換器，在 2.7V 至 20V 輸入電源電壓范圍內(nèi)，可提供高達(dá) 50mA 連續(xù)輸出電流。LTC3388 的無負(fù)載工作電流僅為 720nA，從而使該器件非常適合多種電池供電的低靜態(tài)電流電源應(yīng)用，例如“持續(xù)運(yùn)作型”電源和可穿戴設(shè)備。其遲滯同步整流在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)優(yōu)化了效率。針對(duì) 15µA 至 50mA 的負(fù)載而言，該器件還提供超過 90% 的效率，且在穩(wěn)定時(shí)僅需要 720nA 無負(fù)載靜態(tài)電流，因此延長了電池壽命。LTC3388 采用 3mm x 3mm DFN 封裝 (或 MSOP-10)，僅需 5 個(gè)外部組件，因此能夠?yàn)槎喾N低功率應(yīng)用構(gòu)成非常簡便和占板面積非常緊湊的解決方案。圖 1 顯示了 LTC3388 的典型應(yīng)用電路。

　　圖 1：簡便的 LTC3388-1 典型低壓應(yīng)用電路

　　毫微功率靜態(tài)電流 IC

　　LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置了精確的庫倫計(jì)數(shù)器，提供高達(dá) 50mA 連續(xù)輸出電流。該器件具僅為 680nA 的靜態(tài)電流，可編程峰值輸入電流從低至 5mA 直至 250mA，非常適合多種低功率電池應(yīng)用，例如在可穿戴設(shè)備和 IoT 設(shè)備中見到的那些應(yīng)用。其 1.8V 至 5.5V 輸入電壓范圍和 8 個(gè) 1.8V 至 5V 的用戶可選輸出允許在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓時(shí)，提供穩(wěn)定的輸出電源。此外，該器件集成的精確 (±5% 電池放電測(cè)量準(zhǔn)確度) 庫倫計(jì)數(shù)器可在長壽命不可再充電的電池供電應(yīng)用中，對(duì)累積電池放電提供準(zhǔn)確監(jiān)視，這類應(yīng)用在很多情況下具極其平坦的電池放電曲線。典型應(yīng)用包括無線傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)視器和ADI的 Dust Networks® SmartMesh® 系統(tǒng)。LTC3335 包含 4 個(gè)內(nèi)部低 RDSON MOSFET，可提供高達(dá) 90% 的效率。其他特點(diǎn)包括一個(gè)可編程放電報(bào)警門限、一個(gè)用于存取庫倫計(jì)數(shù)值和器件設(shè)定的 I2C 接口、一個(gè)電源良好輸出和 8 個(gè) 5mA 至 250mA 的可選峰值輸入電流以適合多種類型和尺寸的電池。采用耐熱增強(qiáng)型 20 引線 3mm x 4mm QFN 封裝的 LTC3335 的工作結(jié)溫范圍為 -40°C 至 +125°C。圖 2 顯示了 LTC3335 的典型應(yīng)用電路。

　　圖 2：簡化的 LTC3335 應(yīng)用原理圖

　　LTC3331 是一款完整的能量收集解決方案，提供高達(dá) 50mA 連續(xù)輸出電流，當(dāng)可收集能量可用時(shí)能延長電池壽命。簡便的 10mA 分流器用收集的能量給可充電電池充電，同時(shí)低電池電量斷接功能保護(hù)電池免于深度放電。當(dāng)用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該器件僅需要電池提供 200nA 電源電流，當(dāng)在無負(fù)載情況下由電池供電時(shí)，僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個(gè)高壓能量收集電源、一個(gè)電池充電器和一個(gè)同步降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可為能量收集應(yīng)用提供一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的輸出，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量收集應(yīng)用。能量收集電源由適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和高效率降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電 (AC)、太陽能 (DC)、或磁性 (AC) 能源收集能量。當(dāng)沒有收集能量可用時(shí)，可充電電池輸入給降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在直至 4.2V 的整個(gè)電池電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，無論輸入高于、低于或等于輸出，都可調(diào)節(jié)輸出。當(dāng)收集能源不再可用時(shí)，LTC3331 自動(dòng)轉(zhuǎn)換至電池。LTC3331 的能量收集輸入在 3V 至 19V AC 或 DC 電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，從而使該器件非常適合多種壓電、太陽能或磁性能源。其輸入欠壓閉鎖門限設(shè)定是可編程的，范圍為 3V 至 18V，從而使應(yīng)用能夠在峰值功率傳送點(diǎn)上運(yùn)行能量收集電源。其他特點(diǎn)包括引腳可編程輸出電壓和降壓-升壓峰值電流限制、一個(gè)超級(jí)電容器平衡器和一個(gè)輸入保護(hù)性分路器。LTC3331 采用耐熱增強(qiáng)型 5mm x 5mm QFN 封裝。圖 3 顯示了 LTC3331 的典型應(yīng)用電路。

　　圖 3：LTC3331 的典型應(yīng)用電路

　　結(jié)論

　　智能可穿戴設(shè)備不再僅是虛構(gòu)的電影小工具，智能可穿戴設(shè)備市場(chǎng)正處于爆炸性增長，這個(gè)市場(chǎng)涵蓋多種強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)美觀和功能的產(chǎn)品，以及面向健康和健身、醫(yī)療、信息娛樂、軍事和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品。例如，充滿傳感器的醫(yī)療保健可穿戴產(chǎn)品可在醫(yī)療設(shè)施外外監(jiān)視關(guān)鍵的生物統(tǒng)計(jì)信息，例如心率和血壓，為擁有更積極、更健康的生活方式創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)取決于產(chǎn)品類型，但本質(zhì)上都是由微控制器、MEMS 傳感器、無線連接、電池和支持性電子組件組成。給小電流可穿戴設(shè)備高效率供電可以證實(shí)是非常有挑戰(zhàn)性的，不過ADI提供了一系列領(lǐng)先的、能夠以低功率提供非常高性能的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)幫助促進(jìn)了可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的增長。諸如超低 Iq LTC3388 能量收集降壓型穩(wěn)壓器以及毫微功耗的 LTC3331 能量收集降壓型穩(wěn)壓器和集成了庫倫計(jì)數(shù)器的 LTC3335 降壓-升壓型穩(wěn)壓器等器件，都可以顯著地簡化和改善智能可穿戴設(shè)備的性能。

      作者：ADI公司電源產(chǎn)品部高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)工程師Steve Knoth