可穿戴技術(shù)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(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提供了一種超低靜態(tài)電流IC解決方案。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/283515.htm

關(guān)鍵詞：可穿戴設(shè)備；低功率；健康；電源

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.11.003

一度像走路或跑步計(jì)步器一樣簡(jiǎn)單的可穿戴設(shè)備，似乎一夜之間就變得更先進(jìn)或智能化了。從面向聽障人士的語(yǔ)音振動(dòng)轉(zhuǎn)換背心、先進(jìn)的健身活動(dòng)跟蹤器到夜視設(shè)備甚至平視成像顯示器，可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為消費(fèi)類、軍用和工業(yè)市場(chǎng)的一部分。“可穿戴產(chǎn)品”可定義為具備以下特點(diǎn)的產(chǎn)品：用戶穿戴在身上較長(zhǎng)時(shí)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(yàn)。“智能化”可穿戴產(chǎn)品則增加了連網(wǎng)能力和獨(dú)立數(shù)據(jù)處理能力。可穿戴產(chǎn)品從應(yīng)用上分成5種類別：健身/保健（活動(dòng)監(jiān)視器、健身帶、足部傳感器和心率監(jiān)視器）；信息娛樂(lè)（智能眼鏡/護(hù)目鏡、智能腕表和成像設(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)（佩戴在身上的終端）[來(lái)源：2013 IHS Electronics and Media]。這些產(chǎn)品的采用率是由不同的市場(chǎng)力量驅(qū)動(dòng)的。就軍用類別而言，人們希望的是提高作戰(zhàn)效能以及對(duì)周圍情況的感知、地圖/路徑識(shí)別和拯救生命的能力。工業(yè)類別的主要驅(qū)動(dòng)力是提高生產(chǎn)線效率和跟蹤能力。對(duì)于信息娛樂(lè)類別則是采用尖端成像及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以持續(xù)爆炸性增長(zhǎng)游戲市場(chǎng)，以及日益增加并能夠無(wú)線連接智能手機(jī)以成為“物聯(lián)網(wǎng)（IoT）”組成部分的設(shè)備。最后，保健與醫(yī)療市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力包括：平均壽命延長(zhǎng)、限制不斷上升的醫(yī)療和保險(xiǎn)費(fèi)用、希望保持健康生活以及縮短住院時(shí)間。

有關(guān)健康的生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

有關(guān)健康的生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指的是衡量人體基本機(jī)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(guān)重要，因?yàn)檫@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(cè)量這些生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，醫(yī)院和醫(yī)生診室中當(dāng)然配備了齊全、昂貴的設(shè)備。不過(guò)，想象一下，如果不用去醫(yī)院就可以高效測(cè)量這些數(shù)據(jù)，而且不用花費(fèi)很多，那么生活質(zhì)量會(huì)有多大改觀？例如，在家中或工作場(chǎng)所，可以按照實(shí)時(shí)生命體征數(shù)據(jù)即時(shí)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(zhǎng)甚至挽救生命。幸運(yùn)的是，設(shè)備成本大幅下降，先進(jìn)的傳感器技術(shù)不斷進(jìn)步，因此智能醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備得以持續(xù)激增。這類可穿戴設(shè)備包括較簡(jiǎn)單并可佩戴在身上的“單一生命體征”測(cè)量產(chǎn)品，也包括較復(fù)雜和到處都是傳感器的人體外骨骼設(shè)備。不過(guò)，從集成電路（IC）電子產(chǎn)品角度來(lái)看，劃分這些可穿戴設(shè)備的組成以及給這些設(shè)備高效供電并非微不足道之事。為了進(jìn)一步理解這一點(diǎn).接下來(lái)看看一個(gè)典型的智能可穿戴設(shè)備的內(nèi)部組成。

典型的智能可穿戴設(shè)備

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

·一個(gè)微處理器或微控制器或類似IC：

·某些微型機(jī)電傳感器（MEMS）；

·小型機(jī)械傳動(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：

·可再充電或主（非可再充電）電池或電池組；

·支掙性電子組件。

可穿戴設(shè)備的主要設(shè)計(jì)要求通常是緊湊的外形尺寸、重量很輕以實(shí)現(xiàn)可穿戴性/舒適性、以及超低能耗以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間/壽命。不過(guò)，以最低電流消耗準(zhǔn)確和高效地給這些設(shè)備供電并非如此簡(jiǎn)單。與智能可穿戴設(shè)備供電有關(guān)的主要問(wèn)題包括：

（1）在電池供電設(shè)備中，電源管理IC的電流消耗要很低，這對(duì)延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間是至關(guān)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(dòng)作頻繁的傳動(dòng)器也能從中受益。LDO或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合這類軌，因?yàn)檫@類穩(wěn)壓器具備很低的輸出噪聲。

（3）藍(lán)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(guān)穩(wěn)壓器（因輸出電流可能很高）或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器是非常好的選擇。

（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，都需要各種低壓電源軌，以涵蓋整個(gè)電流范圍。這些芯片可以由LDO或開關(guān)穩(wěn)壓器供電。

（5）既然不是所有可穿戴設(shè)備都由可再充電電池供電，那么有些設(shè)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(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。因此，找到一種估計(jì)電池運(yùn)行時(shí)間的方法是個(gè)關(guān)鍵。

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

超低靜態(tài)電流 IC 解決方案

顯然，滿足可穿戴應(yīng)用需求以及解決上述相關(guān)問(wèn)題的IC解決方案應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：

·無(wú)論在工作模式還是停機(jī)模式，都具備超低靜態(tài)電流；

·寬輸入電壓范圍以適應(yīng)各種電源；

·能夠高效地給系統(tǒng)電源軌供電（有些電源軌具備>5V的較高電壓）；

·能夠準(zhǔn)確對(duì)電荷計(jì)數(shù)以確定電池運(yùn)行時(shí)間，但對(duì)IC靜態(tài)電流（電池電量消耗）不造成顯著影響：

·占板面積小、重量輕且外形扁平的解決方案：

·先進(jìn)封裝以提高熱性能和空間利用率。

幸運(yùn)的是，凌力爾特不久前已推出了相關(guān)產(chǎn)品，例如超低靜態(tài)電流LTC3388/-x降壓型穩(wěn)壓器、毫微功率LTC3331能量收集穩(wěn)壓器、和集成了庫(kù)倫計(jì)數(shù)器的LTC3335降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器都已經(jīng)具備了上述大多數(shù)特點(diǎn)。

LTC3388是一款超低靜態(tài)電流同步降壓型穩(wěn)壓器，可用2.7V至20V輸入電源提供高達(dá)50mA的連續(xù)輸出電流。LTC3388的無(wú)負(fù)載工作電流僅為720nA，因此非常適合多種電池供電和低靜態(tài)電流應(yīng)用（例如：“保持有效”電源和可穿戴設(shè)備）。其同步遲滯整流在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)優(yōu)化了效率。該器件在15μA至50mA負(fù)載范圍內(nèi)還提供超過(guò)90%的效率，而且在穩(wěn)壓時(shí)的無(wú)負(fù)載靜態(tài)電流僅為720nA，因此延長(zhǎng)了電池壽命。3mm×3mmDFN封裝（或MSOP-10）和僅5個(gè)外部組件相結(jié)合，為多種低功率應(yīng)用提供了占板面積緊湊和非常簡(jiǎn)單的解決方案。圖1顯示了LTC3388的典型應(yīng)用電路。

毫微功率靜態(tài)電流IC-LTC3335和LTC3331

LTC3335是一款毫微功率高效率同步降壓一升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置的精確庫(kù)倫計(jì)數(shù)器提供高達(dá)50mA的連續(xù)輸出電流。該器件具備僅為680nA的靜態(tài)電流和從低至5mA直至高達(dá)2S0mA的可編程峰值輸入電流，非常適合多種低功率電池應(yīng)用（例如：可穿戴設(shè)備和IoT設(shè)備中的電池應(yīng)用）。其1.8V至5.5V輸入范圍和8個(gè)在1.8V至5V之間的用戶可選輸出用高于、低于或等于輸出的輸入，提供穩(wěn)定的輸出電源。LTC3335采用耐熱性能增強(qiáng)型20引線3mm×4mmQFN封裝，工作結(jié)溫范圍為-40℃至+125℃。圖2顯示了典型的LTC3335應(yīng)用電路。

LTC3331是一款完整的能量收集解決方案，當(dāng)可收集能量可用時(shí)，提供高達(dá)50mA的連續(xù)輸出電流以延長(zhǎng)電池壽命。簡(jiǎn)單的10mA分路允許用收集的能量給可再充電電池充電，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)壓電源電時(shí)，該器件僅需要電池提供200nA電源電流，而在無(wú)負(fù)載情況下用電池供電時(shí)，僅需要9S0nA工作電流。其他特點(diǎn)包括引腳可編程輸出電壓和降壓一升壓型峰值電流限制、一個(gè)超級(jí)電容器平衡器和一個(gè)輸入保護(hù)分路器。LTC3331采用耐熱性能增強(qiáng)型5mm×5mmQFN封裝。圖3顯示了LTC3331的典型應(yīng)用電路。

結(jié)論

智能可穿戴設(shè)備市場(chǎng)近年來(lái)已出現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，出現(xiàn)了面向保健與健身、醫(yī)療、信息娛樂(lè)、軍用和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的多種產(chǎn)品。包括使用傳感器的醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備在內(nèi)的新一波產(chǎn)品可監(jiān)視關(guān)鍵生物統(tǒng)計(jì)信息，例如在醫(yī)院以外測(cè)量心率和血壓，這為采用更加積極、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)視產(chǎn)品類型而定，但基本上由一個(gè)微控制器、MEMS傳感器、無(wú)線連接電路、電池和支持性電子組件組成。給小電流可穿戴設(shè)備供電可以證明是非常具挑戰(zhàn)性的，不過(guò)凌力爾特提供了一系列性能非常高、功率非常低的尖端產(chǎn)品。例如有超低靜態(tài)電流LTC3388能量收集降壓型穩(wěn)壓器等器件、以及面向毫微功耗的LTC3331能量收集降壓型穩(wěn)壓器和集成了庫(kù)倫計(jì)數(shù)器的LTC3335降壓一升壓型穩(wěn)壓器，這可以極大地簡(jiǎn)化并提高智能可穿戴設(shè)備的性能。