可穿戴技術利用低功率轉(zhuǎn)換保障身體健康

摘要：本文分析了典型的可穿戴設備的設計要點，提供了一種超低靜態(tài)電流IC解決方案。

　　一度像走路或跑步計步器一樣簡單的可穿戴設備，似乎一夜之間就變得更先進或智能化了。從面向聽障人士的語音振動轉(zhuǎn)換背心、先進的健身活動跟蹤器到夜視設備甚至平視成像顯示器，可穿戴設備已經(jīng)成為消費類、軍用和工業(yè)市場的一部分。“可穿戴產(chǎn)品” 可定義為具備以下特點的產(chǎn)品：用戶穿戴在身上較長時間，而且由于穿戴了該產(chǎn)品而在某種程度上擁有更好的體驗。“智能化” 可穿戴產(chǎn)品則增加了連網(wǎng)能力和獨立數(shù)據(jù)處理能力。可穿戴產(chǎn)品從應用上分成 5 種類別：健身 / 保健 (活動監(jiān)視器、健身帶、足部傳感器和心率監(jiān)視器);信息娛樂 (智能眼鏡 / 護目鏡、智能腕表和成像設備);軍用 (夜視設備、平視顯示器、人體外骨骼和智能服裝);工業(yè) (佩戴在身上的終端) [來源：2013 IHS Electronics and Media]。這些產(chǎn)品的采用率是由不同的市場力量驅(qū)動的。就軍用類別而言，人們希望的是提高作戰(zhàn)效能以及對周圍情況的感知、地圖 / 路徑識別和拯救生命的能力。工業(yè)類別的主要驅(qū)動力是提高生產(chǎn)線效率和跟蹤能力。對于信息娛樂類別則是采用尖端成像及虛擬現(xiàn)實技術以持續(xù)爆炸性增長游戲市場，以及日益增加并能夠無線連接智能手機以成為 “物聯(lián)網(wǎng) (IoT)” 組成部分的設備。最后，保健與醫(yī)療市場的主要驅(qū)動力包括：平均壽命延長、限制不斷上升的醫(yī)療和保險費用、希望保持健康生活以及縮短住院時間。

有關健康的生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)

　　有關健康的生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)指的是衡量人體基本機能的生命體征數(shù)據(jù)，包括體溫、脈搏/心率、呼吸頻率和血壓。這些生命體征數(shù)據(jù)至關重要，因為這些數(shù)據(jù)中如果出現(xiàn)不好的變化，可能意味著健康水平下降，反之亦然。為了測量這些生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)，醫(yī)院和醫(yī)生診室中當然配備了齊全、昂貴的設備。不過，想象一下，如果不用去醫(yī)院就可以高效測量這些數(shù)據(jù)，而且不用花費很多，那么生活質(zhì)量會有多大改觀? 例如，在家中或工作場所，可以按照實時生命體征數(shù)據(jù)即時調(diào)整生活和行為方式，這可以改善健康水平并有可能延長甚至挽救生命。幸運的是，設備成本大幅下降，先進的傳感器技術不斷進步，因此智能醫(yī)療保健可穿戴設備得以持續(xù)激增。這類可穿戴設備包括較簡單并可佩戴在身上的 “單一生命體征” 測量產(chǎn)品，也包括較復雜和到處都是傳感器的人體外骨骼設備。不過，從集成電路 (IC) 電子產(chǎn)品角度來看，劃分這些可穿戴設備的組成以及給這些設備高效供電并非微不足道之事。為了進一步理解這一點，接下來看看一個典型的智能可穿戴設備的內(nèi)部組成。

典型的智能可穿戴設備

　　典型智能可穿戴設備的運行靠什么驅(qū)動? 可以把它想象成一個微型嵌入式系統(tǒng)。準確地劃分其組成顯然取決于設備本身。一般而言，一款智能可穿戴設備的核心架構包括以下部分：

　　● 一個微處理器或微控制器或類似 IC;

　　● 某些微型機電傳感器 (MEMS);

　　● 小型機械傳動器;

　　● 全球定位系統(tǒng) (GPS) IC;

　　● 藍牙 / 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;

　　● 計算資源;

　　● 可再充電或主 (非可再充電) 電池或電池組;

　　● 支持性電子組件。

　　可穿戴設備的主要設計要求通常是緊湊的外形尺寸、重量很輕以實現(xiàn)可穿戴性 / 舒適性、以及超低能耗以延長電池運行時間 / 壽命。不過，以最低電流消耗準確和高效地給這些設備供電并非如此簡單。與智能可穿戴設備供電有關的主要問題包括：

　　(1)在電池供電設備中，電源管理 IC 的電流消耗要很低，這對延長運行時間是至關重要的。必要使用微功率或毫微功率轉(zhuǎn)換 IC。

　　(2)MEMS 傳感器需要用穩(wěn)定和低噪聲的電源供電。動作頻繁的傳動器也能從中受益。LDO 或低紋波開關穩(wěn)壓器非常適合這類軌，因為這類穩(wěn)壓器具備很低的輸出噪聲。

　　(3)藍牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窩連接系統(tǒng)電源軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或 LDO 后置調(diào)節(jié)開關穩(wěn)壓器 (因輸出電流可能很高) 或低紋波開關穩(wěn)壓器是非常好的選擇。

　　(4)處理器 (可穿戴設備的 “大腦”) 電源。從 ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片到 FPGA，都需要各種低壓電源軌，以涵蓋整個電流范圍。這些芯片可以由 LDO 或開關穩(wěn)壓器供電。

　　(5)既然不是所有可穿戴設備都由可再充電電池供電，那么有些設備可以使用主 (非可再充電) 電池，這類電池要求每次更換之間可運行較長時間。因此，找到一種估計電池運行時間的方法是個關鍵。

　　(6)緊湊的尺寸和很輕的重量使用戶感覺更加舒服。封裝緊湊的 IC 可構成占板面積很小的解決方案，因此使可穿戴設備外形小且重量輕。