如何為可穿戴設(shè)備的超低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)延長電池壽命

可穿戴設(shè)備市場正在蓬勃發(fā)展。統(tǒng)計(jì)聚合門戶網(wǎng)站statista，指出，全球市場價(jià)值將超過今年7 $十億和$ 12.6十億在2018年。

雖然潛在的回報(bào)是高，這并不是一件容易的市場進(jìn)入。設(shè)計(jì)智能手表或手鐲健身是艱難的;消費(fèi)者期望很多功能，智能手機(jī)連接，小巧的外形，重量輕，電池壽命長。高集成度，超低功耗的微處理器和無線芯片的推出緩解了設(shè)計(jì)過程，但擠壓出所有電池的功率仍是關(guān)鍵，以一種可穿戴產(chǎn)品的成功。

本文將看看如何硅片供應(yīng)商幫助身打扮設(shè)計(jì)師通過提供電源節(jié)儉顯示，微控制器(mcu)，硅無線電設(shè)備，以及電源管理芯片專為超低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)，延長電池壽命。

技術(shù)的融合

身打扮如雨后春筍般涌現(xiàn)，因?yàn)槿齻€(gè)關(guān)鍵technologies1收斂中脫穎而出?？梢詮氖直黼姵剡\(yùn)行的超低功耗芯片讓公司能夠提供緊湊的產(chǎn)品當(dāng)中，得益于智能手機(jī)兼容的無線技術(shù)如藍(lán)牙智能(又名藍(lán)牙低功耗技術(shù))，與智能手機(jī)和平板電腦的無縫通信。便宜的應(yīng)用程序的范圍呈現(xiàn)從可穿戴的指示用戶友好的方式收集的信息，例如，多長時(shí)間用戶需要運(yùn)動(dòng)減肥。最近的一項(xiàng)前沿耐磨是阿迪達(dá)斯的適合智能腕帶追蹤它采用藍(lán)牙智能技術(shù)從北歐半導(dǎo)體(圖1)。

阿迪達(dá)斯'適合智能圖像

圖1：阿迪達(dá)斯'適合智能是典型的最新一代可穿戴式產(chǎn)品。 (阿迪達(dá)斯/ nordic半導(dǎo)體提供)

產(chǎn)品如飛度智能結(jié)合工程的多個(gè)方面，包括先進(jìn)的電子設(shè)備，如32位mcu，2.4 ghz的硅收音機(jī)，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)，以及顯示驅(qū)動(dòng)程序。此外，可佩戴可結(jié)合多個(gè)傳感器測量大氣壓力，濕度，溫度，和加速度。 mcu的能力顯著影響設(shè)備的性能，并確定它的市場吸引力;所述mcu還常常集成在可佩戴的電子設(shè)備的其他元件，例如藍(lán)牙智能無線電和adc。然而，這并不是故事的全部。

身打扮必須是不顯眼;該放置約束的尺寸和重量，并反過來，在電源的容量。一些身打扮，如智能手表與強(qiáng)大的計(jì)算能力和全球定位系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)上借鑒了可充電鋰離子電池的資源和消費(fèi)者接受的要求，以補(bǔ)足細(xì)胞偶見。然而，如果再充電的次數(shù)可以減少產(chǎn)物可以獲取對競爭者的優(yōu)勢。

其他身打扮，如健身手鐲，預(yù)計(jì)無細(xì)胞改變運(yùn)行數(shù)月。技術(shù)如基于arm的低功耗嵌入式處理器和優(yōu)化的微控制器，如德州儀器(ti)msp430和“超低功耗”的無線連接如藍(lán)牙智能，rf4ce，或zigbee幫助工程師設(shè)計(jì)的設(shè)備可以運(yùn)行的小電池如cr2032紐扣電池。對于這種類型的電池將持續(xù)數(shù)月，平均電流消耗必須被限制在只是幾毫安。這限制了一個(gè)產(chǎn)品也許幾十正常運(yùn)行時(shí)毫安和幾十微安，甚至幾百納安在睡眠模式(參見技術(shù)專區(qū)的文章“微小的電壓調(diào)節(jié)器滿足可穿戴式電子空間的約束。”)。

設(shè)計(jì)對低功耗

顯示器(如果已安裝)，mcu和硅無線電負(fù)責(zé)為廣大的功耗的可穿戴設(shè)備。制造商試圖通過使用的技術(shù)，如有機(jī)led(oled)顯示器，以限制所述顯示的功耗。 oled的能耗比傳統(tǒng)led功率較小，因?yàn)樗麄儾恍枰魏伪彻?。這項(xiàng)技術(shù)也適合于更薄，更輕顯示(見技術(shù)專區(qū)的文章“有機(jī)發(fā)光二極管靠攏主流照明”)。為了節(jié)省更多的權(quán)力，這顯示目前最小的信息，因?yàn)橄M(fèi)者通常能夠獲取大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自聯(lián)營公司的應(yīng)用程序在他們的智能手機(jī)，并且顯示器切換到省電模式迅速在不被訪問。

該mcu在可穿戴需要處理一些繁重的計(jì)算工作，同時(shí)最大限度地降低功耗。幸運(yùn)的是，芯片供應(yīng)商有很多的經(jīng)驗(yàn)，在優(yōu)化這種權(quán)衡在移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)和mp3播放器。技術(shù)如高時(shí)鐘速率來完成工作迅速，讓mcu迅速返回到低功耗的睡眠狀態(tài)，最大限度地降低靜態(tài)功耗，延長電池壽命(見技術(shù)專區(qū)的文章“設(shè)計(jì)技術(shù)延長鋰離子電池壽命“)。

還幫助設(shè)計(jì)工程師充分發(fā)揮他或她的功率預(yù)算都是無線連接技術(shù)，如藍(lán)牙智能和zigbee。這些專門設(shè)計(jì)通過傳送快速脈沖串的數(shù)據(jù)，以便它們可以返回到低功耗睡眠模式迅速并通過限制傳輸范圍到大約10米以節(jié)省電力。藍(lán)牙智能，例如，不同于傳統(tǒng)的藍(lán)牙無線技術(shù)采用異步射頻協(xié)議，不像大哥哥，不必保持不斷地“空氣”，以保持配對 - 節(jié)省了寶貴的電池電量。

設(shè)計(jì)工程師還應(yīng)該知道，傳感器經(jīng)常穿戴式產(chǎn)品所用的類型可以表現(xiàn)出即使在相當(dāng)高的漏電流“停擺”，所以規(guī)定提出，要積極斷開電源軌等設(shè)備與硬開關(guān)，而不是僅僅允許他們斷電。

電源管理

盡管低功耗的芯片提供了陣列，開發(fā)可穿戴式產(chǎn)品，體面的電池壽命還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有小事。事實(shí)上，電源管理可以造就一個(gè)產(chǎn)品。成功身打扮往往同時(shí)結(jié)合了流行的穩(wěn)壓器技術(shù)，成組的開關(guān)穩(wěn)壓器的高效率與低輟學(xué)線性穩(wěn)壓器(ldo)的“干凈”的力量。

開關(guān)穩(wěn)壓器的效率在寬電壓和負(fù)載范圍，但電壓和電流漣波輸出與敏感的混合信號(hào)芯片，特別是硅的收音機(jī)造成嚴(yán)重破壞。通過將開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出通過一個(gè)ldo，波動(dòng)變得平滑。由于ldo的效率是成正比的輸出電壓的輸入電壓劃分，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)確保開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出(即ldo的輸入)，靠近ldo的輸出，延長電池壽命。 ldo的下部的釋放電壓，越接近這些電壓可以匹配。

許多制造商提供電源模塊開關(guān)穩(wěn)壓器和一個(gè)或多個(gè)低壓降穩(wěn)壓器集成到單個(gè)芯片中。例子包括ti的tps61130 - 它集成了一個(gè)500 khz的開關(guān)調(diào)節(jié)器，ldo中產(chǎn)生兩個(gè)2.5至5.5 v(300和320 ma)的一個(gè)模塊輸出 - 與maxim的max 1765，這又提供了兩種輸出，2.5-5.5 v (800 ma)的和2.85到可調(diào)(500 ma)的。欲了解更多信息，請參閱技術(shù)展區(qū)文章“功率模塊結(jié)合了效率與低噪聲輸出。”

產(chǎn)品如ti的tps82740a拿東西，甚至進(jìn)一步;該模塊是專門為照顧身打扮的電力需求，如智能手表。該公司提供的裝置中的“microsip”(系統(tǒng)級(jí)封裝)，其中包括在一個(gè)封裝，僅6.7平方毫米的體積的開關(guān)穩(wěn)壓器，電感器，和輸入/輸出電容器。無需外部元件，使得tps82740a適用于空間受限身打扮(圖2)是不錯(cuò)的選擇。

德州儀器(ti)microsip包裝的開關(guān)穩(wěn)壓器圖片

圖2：ti的microsip包裝的開關(guān)穩(wěn)壓器尺寸僅為6.7平方毫米，無需外部元件。

雖然tps82740a沒有結(jié)合的開關(guān)調(diào)節(jié)器，ldo，而不是僅僅采用降壓(“降壓”)開關(guān)穩(wěn)壓器的服務(wù)，ti聲稱輸出幾乎無波動(dòng)，不擾亂敏感電路。一種巧妙的特技該模塊起著是恢復(fù)到100%的占空比，當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓(有效模仿一個(gè)ldo)。模塊的工作從2.2-5.5 v配合200ma的最大輸出電流的輸入電壓范圍。

圖3示出一個(gè)可穿戴產(chǎn)品采用tps82740a的示意圖。一個(gè)常見的電壓用于在mcu，無線電和傳感器。該mcu是直接連接到開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出，因此總是供電。該傳感器連接到一個(gè)集成負(fù)荷開關(guān)，只有當(dāng)用戶請求數(shù)據(jù)，從而節(jié)省功率是閉合的輸出。

電源原理圖在身打扮應(yīng)用圖片

圖3：在一身打扮應(yīng)用電源的原理圖。傳感器被關(guān)閉在不使用時(shí)，以限制泄漏電流和節(jié)省電力。 (德州儀器提供)

開關(guān)穩(wěn)壓器的一個(gè)缺點(diǎn)是效率尾巴遠(yuǎn)離在低負(fù)載。這可能會(huì)損害電池壽命如果不加以控制，因?yàn)榭纱┐魇疆a(chǎn)品通常會(huì)花很長時(shí)間在低功耗的“休眠”或“待機(jī)”模式，幾乎不需用戶干預(yù)。芯片制造商已經(jīng)解決的由任一改變開關(guān)頻率，跳躍脈沖，或者甚至懸浮劑操作共直到該輸出電壓低于一定的閾值的開關(guān)穩(wěn)壓器在低負(fù)載這一缺點(diǎn)。所有這些技術(shù)旨在降低開關(guān)損耗而變得更加顯著為負(fù)載降低(見技術(shù)專區(qū)文章“使用pfm提高開關(guān)dc / dc穩(wěn)壓器效率，在低負(fù)荷”)。

ti采用專有技術(shù)，該公司稱之為dcs控制(“直接控制的無縫過渡到省電模式”)在tps82740a。在高負(fù)載電流時(shí)，開關(guān)調(diào)節(jié)器以準(zhǔn)固定頻率脈寬調(diào)制(pwm)模式。最大開關(guān)頻率為1.7兆赫。當(dāng)負(fù)載電流減小，所述模塊通過線性改變開關(guān)頻率進(jìn)入功率節(jié)省模式。在極輕負(fù)載時(shí)，該模塊生成單開關(guān)脈沖來壯大電感電流和充電輸出電容，返回到360 na的靜態(tài)電流消耗模式，直到輸出電壓低于設(shè)定的閾值。

在設(shè)計(jì)身打扮是艱難的，制造商提供專門設(shè)計(jì)的低功耗芯片和豐富的工程咨詢，使生活的工程師更容易一些。好消息是，消費(fèi)者已經(jīng)采取的一大途徑身打扮;因此利潤豐厚的獎(jiǎng)勵(lì)等待著跟隨在garmin公司，阿迪達(dá)斯，企業(yè)，和fitbit的腳步與盟軍巧妙的智能手機(jī)應(yīng)用程序高效，實(shí)用的監(jiān)控產(chǎn)品。

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