【導讀】可穿戴設備電源的安全性也不可忽視，充電器需要考慮到各種保護措施?？纱┐髟O備電源還需要考慮充電精度、顯示驅動以及平臺兼容性等一系列的問題。另外，可穿戴設備市場目前還處于起步階段，有許多可穿戴設備還是沿用已有的便攜設備電源管理方案做開發(fā)。
可穿戴設備正集成越來越多的功能，這為電源管理帶來挑戰(zhàn)?？纱┐髟O備中的電池通常非常小，設備又需要長時間工作而不用充電，因此功耗是一個關鍵的設計考慮因素。要保證可穿戴設備的時尚性，電路需要保持在極小的尺寸以內，這使電源管理等器件更傾向于采用單芯片解決方案。為應對電池技術難以解決續(xù)航時間的訴求，可穿戴設備有可能采用新型電源，例如對太陽能或熱能進行能量采集。
TI：高精度、低功耗是延長續(xù)航時間的關鍵
德州儀器(TI)高性能模擬半導體產(chǎn)品部電池管理產(chǎn)品市場及應用經(jīng)理文司華博士認為，在可穿戴設備中，電池通常非常小(例如100 mAh)，設備又需要持續(xù)幾天甚至是幾個星期而又不用充電，因此功耗是一個關鍵的設計考慮因素。因此，高功率轉換效率將是一個關鍵的設計要素。時尚的手腕式可穿戴設備要想保持其酷炫特點，電子電路需要保持在極小的尺寸以內。這推動了高水平的包括電源管理IC在內的全器件集成。此外，功率器件的占板面積和封裝應做到盡可能小。另外，可穿戴設備可能采用新型電源，例如對太陽能或熱能進行能量采集。同時，某些產(chǎn)品可能更傾向于非接觸式充電。這些非接觸式充電當中包括了無線充電。
德州儀器(TI)高性能模擬半導體產(chǎn)品部電池管理產(chǎn)品市場及應用經(jīng)理文司華博士
對于可穿戴電源目前存在的設計挑戰(zhàn)，他總結了以下五點。
● 在鋰電池過充或溫度過高會導致起火，鋰電池的安全性問題仍讓人擔憂的同時，充電器應具有幾乎所有類型的安全設計，包括過壓保護、過流保護、過溫保護、短路保護和低溫充電等，甚至是在充電器IC及解決方案尺寸必須保持非常小的情況下也是如此。
● 因為可穿戴設備中的電池較小，充電精度的需求提高使為這些小電池充電并非易事。充電器必須能夠提供更小的充電截止電流。換言之，充電器的精度應該更高，達mA級。例如，在智能手機系統(tǒng)中，2,000 mAh電池的正常充電電流為1.2 A(0.6 C)，充電截止電流應為正常充電電流的1/10～1/20，即120 mA～60 mA。然而在手環(huán)中，由于電池容量可能為100 mAh，正常充電電流將為60 mA，充電截止電流應為6 mA～3 mA。滿足這種要求的充電器器件很難找到。
● 可穿戴設備應具有較長續(xù)航時間。通常，如果消費者每天都要為設備充電，他們就會不高興。在現(xiàn)在許多最好的智能手機都必須一兩天充電一次的情況下，終端用戶顯然期待能夠有所改善。整個電源管理應能夠提供高效率的電源轉換系統(tǒng)，這包括：穩(wěn)壓器效率，以及穩(wěn)壓器和電池充電器應提供低靜態(tài)電流、低待機電流和低漏電流。具有極低漏電流和待機電流以及低靜態(tài)電流的電源管理器件更加難于設計。
● 甚至是現(xiàn)今最好的電池技術也不能完全解決電池運行時間的訴求。我們需要在使用可穿戴設備的同時，開發(fā)新的電源。新型電源的瓶頸在于其轉換為可用功率時，功率密度和轉換效率極低。
● 在可穿戴設備中，因為濕度、腐蝕等關系，許多產(chǎn)品的失效點為充電/信號連接器。
針對這些設計挑戰(zhàn)，TI 的應對措施如下。
● TI的充電器IC和電量計IC為工作中的電池提供了最廣泛的保護和監(jiān)控。TI在保持相同水平保護功能的同時縮小半導體尺寸的過程中取得了成功。例如，bq24040和bq25100都與JEITA標準兼容。兩者都具有Ts輸入用于監(jiān)控電池熱敏電阻，以保證充電溫度在合適范圍內。bq24040尺寸為2mm×2mm，并且在2014 年中期推出bq25100之前是最小的充電器。bq25100尺寸為1.6 mm×0.9 mm，與0603尺寸的電容相當(圖1)。
圖1：最小的鋰電池線性充電器bq25100，靜態(tài)電流僅75nA，截止電流1mA
● 主流可穿戴設備品牌采用TIbq24040/45或bq24232(帶電源通路)充電器IC，是因為它們的尺寸較小(分別為2mm×2mm和3mm×3mm)、精度較高。并且在適配器連接時，甚至是電池電量耗盡時，bq24232允許系統(tǒng)立即上電。在先進的可穿戴設計中，精度和電源通路特性最受青睞。另外，bq25100允許正常充電電流最小為10 mA，并且能夠將充電截止電流或預充電電流設置為1mA，這是針對可穿戴設備的業(yè)界最高精度。
● 為了在電源管理系統(tǒng)中降低功耗，TI針對可穿戴設備在極低的流耗下工作改造了這些器件。例如，bq25100在工作模式下的靜態(tài)電流小于1μA，并且在bq25100處于關閉模式時，電池漏電流低至75 nA。同時，“Nano -Buck”TPS62736降壓轉換器的靜態(tài)電流極低，僅為380nA，在15nA低負載的情況下，能夠幫助實現(xiàn)超過90%的效率。與在低負載條件下的傳統(tǒng)DC/DC轉換相比，這能夠延長30%～50%的電池運行時間。
● 能量采集技術刺激了可穿戴設備的新應用。TPS25504能夠從單個太陽能電池(約0.3～0.6V)或TEG(熱電發(fā)生器，＜0.3V)等低能量源中獲取能量。它對啟動電壓的要求較低，僅為0.33V，并且能夠在低至80 mV的電壓下工作。其靜態(tài)電流也很低，僅為330nA。
● 隨著Moto360等應用取得極大成功，無線充電變成了可穿戴設備，尤其是智能手表的取代性選擇方案。使用無線充電可使可穿戴設備無需使用連接器，做到更好地密封；無線充電有利于推廣帶有定制底座的易于充電的使用案例；無線充電Rx推薦是Qi兼容的，這樣可穿戴設備能夠在任何標準的Qi充電器上進行充電. Tx可以是Qi兼容的,但有些設計限于尺寸或特殊形狀要求，TX線圈需要定制(非Qi規(guī)范)。
在可穿戴設備電源產(chǎn)品未來的規(guī)劃上，文司華表示：“我們將繼續(xù)針對可穿戴設備提供高集成度、低功耗、高精度的電源管理器件、充電器、能量采集器和電量計，以及有可能覆蓋感應式充電和磁共振充電的無線充電產(chǎn)品。”
ST：小體積、單芯片電源管理方案是發(fā)展趨勢
意法半導體(ST)市場部技術經(jīng)理樊志生認為，可穿戴設備有以下三點趨勢。第一，超低靜態(tài)電流和小封裝電源管理單芯片是個趨勢。該電源管理芯片需集成線性充電、LDO和DC/DC等功能。LDO和DC/DC給其他模塊供電，比如藍牙、傳感器、MCU、GPS等。比如，STNS01是一個集成路徑管理、3 .1V/ 100mA超低靜態(tài)電流LDO、線性充電和過放保護的電源管理芯片。整個芯片尺寸只有3mm×3mm ,同時待機功耗只有100 nA。路徑管理可以保證即插即用，和減少電池充放電次數(shù)以延長電池壽命。3.1V/100mA超低靜態(tài)電流LDO在沒有負載時可以實現(xiàn)1nA的靜態(tài)電流。線性充電的充電電流可以通過外圍電阻設置充電電流從15mA～200mA，可以滿足所有各種可穿戴設備對充電電流的要求。第二，太陽能充電及無線充電將廣泛用于智能手表。隨著國家對節(jié)能要求和可穿戴設備用戶戶外運動比較多的特點，太陽能充電就是一個很好的解決方案。無線充電本身帶有封閉性好的特點，尤其對一些戶外運動或水下運動的可穿戴設備將是一個很好的充電解決方案。第三，AMOLED屏驅動芯片。AMOLED屏將廣泛應用于智能手表。跟傳統(tǒng)LCD屏比較，AMOLED屏具有更高的亮度、更薄、更好的分辨率和更省電等特點。STOD32W是一個能滿足不同尺寸要求的驅動芯片。
在可穿戴設備電源方面，ST有很多解決方案，包括：PMIC(電源管理IC)、線性充電器、超低靜態(tài)電流的LDO、太陽能和無線充電方案、顯示屏驅動芯片。比如，STNS01是一款帶有路徑管理、3.1V/100mA LDO、線性充電和過放保護功能的電源管理芯片。STLQ015具有超低靜態(tài)電流的LDO。在沒有負載的狀態(tài)下，其靜態(tài)電流只有1uA，不工作狀態(tài)下只有1nA。同時，ST還提供太陽能和無線充電方案。STOD32W是一款100mA電流和三路輸出的AMOLED屏驅動芯片，最大可以給3”的AMOLED屏供電。SPV1050是一款集成兩路LDO的太陽能充電芯片。
“在可穿戴設備電源設計方面，不同芯片平臺廠家將會推出自己不同功能的可穿戴設備解決方案，設計適合不同廠家平臺的電源管理芯片將是一個挑戰(zhàn)；還有就是超低功耗和小尺寸。另外，目前還沒有適合不同尺寸要求的無線充電?，F(xiàn)有的無線充電三大標準下，對于用于無線充電線圈大小定義都不適合現(xiàn)有可穿戴設備尺寸。”樊志生表示，“我們將會推出更小尺寸(比如CSP封裝)的電源管理芯片。同時對于現(xiàn)有的無線充電三大標準下，用于無線充電的線圈大小定義都不適合現(xiàn)有可穿戴設備尺寸的情況，ST將推出具有自定義無線充電線圈大小的解決方案。比如針對智能手表，我們將會推出基于Qi標準的2.5W無線充電方案。另外，ST計劃推出的產(chǎn)品還有：更高效率的AMOLED驅動器芯片，CSP封裝的集成線性充電器、LDO或DC/DC等功能的電源管理芯片等。”
最后，他強調：“個人認為應該針對不同消費群體推出不同功能的可穿戴設備。未來幾年將是可穿戴設備爆發(fā)增長的幾年。必須有更強電池續(xù)航能力。低功耗必定是一個趨勢。”
[page] ADI：迎合電源管理低功耗、小體積及低成本要求
“可穿戴設備本身是很寬泛的概念覆蓋各類產(chǎn)品形態(tài)，包括傳統(tǒng)便攜設備(如手表)，也包括在非設備類的穿戴產(chǎn)品中附件上各類傳感器進而成為可穿戴設備的范疇，例如衣服鞋帽等?？纱┐髟O備所提供的功能目前多集中在在工具類(如GPS、環(huán)境等)和運動健康類(如計步、睡眠、心率、體脂分析，以及血氧等)。”ADI公司亞太區(qū)醫(yī)療行業(yè)市場經(jīng)理王勝介紹道。
他指出，可穿戴設備現(xiàn)狀有如下幾個特點：整個智能可穿戴設備市場還是在啟動培養(yǎng)階段，例如功能的豐富性，結果實用性及服務性特征等，都需要進一步的完善；很多功能及性能實現(xiàn)還需要進一步的技術突破，例如功耗、體積以及使用的方便性等；開發(fā)可穿戴設備的公司越來越多，幾乎所有的品牌手機廠商都在進行著某種形式的投資及開發(fā)；越來越多的IDH(獨立設計公司)參與到相關技術的研發(fā)，尤其是在軟件數(shù)據(jù)處理方面。
ADI公司亞太區(qū)醫(yī)療行業(yè)市場經(jīng)理王勝
從可穿戴設備發(fā)展趨勢角度來看，以下幾點可能會被業(yè)內關注：宏觀來看必將是電子設備市場的新的增長點；持續(xù)不斷的增加并完善健康保健類功能，甚至某些性能到達或通過醫(yī)療級的應用標準；高集成度、小體積、低功耗以及低成本的傳感器硬件在將來的可穿戴設備開發(fā)中會成為越發(fā)關鍵的要素；后臺數(shù)據(jù)的分析處理及反饋到終端用戶將是維持用戶持續(xù)使用的必經(jīng)之路。
“ADI作為在傳感器及模擬混合信號的領先供應商，在可穿戴設備領域也會緊跟客戶及市場發(fā)展趨勢，并用專門的醫(yī)療保健團隊提供系統(tǒng)級包括軟件在內的全方位的方案。除此以外，在迎合可穿戴設備中電源管理特定的低功耗、小體積及低成本的要求，例如ADP150、ADP160等，在可穿戴市場都有很好的表現(xiàn)。”王勝表示。
關于ADP16x系列而言，ADP160/ADP161/ADP162/ADP163均為超低靜態(tài)電流、低壓差線性穩(wěn)壓器，工作電壓為2.2V～5.5V，輸出電流最高可達150mA。在150mA負載下壓差僅為195mV，不僅可提高效率，而且能使器件在很寬的輸入電壓范圍內工作。
ADP16x 經(jīng)過專門設計，利用1μF±30%小陶瓷輸入和輸出電容便可穩(wěn)定工作，適合高性能、空間受限應用的要求。ADP160可提供1.2V～4.2V范圍內的15種固定輸出電壓選項(圖2)。ADP160/ADP161還包括一個開關電阻，當LDO禁用時，該電阻自動使輸出放電。ADP162不包括輸出放電功能，其余與ADP160完全相同。ADP161和ADP163可用作可調輸出電壓穩(wěn)壓器，僅提供5引腳TSOT封裝。ADP163不包括輸出放電功能，其余與ADP161完全相同。短路和熱過載保護電路可以防止器件在不利條件下受損。
圖2：ADP160內部框圖—固定輸出，帶輸出放電功能
ADP160 和ADP162 提供5 引腳TSOT和4引腳、0.5mm間距WLCSP兩種小型封裝，是適合各種便攜式供電應用的最小尺寸解決方案，并可應用在移動電話、數(shù)碼相機和音頻設備、便攜式和電池供電設備、后置DC-DC調節(jié)以及便攜式醫(yī)療設備當中。
另外，ADP150 是一款超低噪聲(9μV)、低壓差線性調節(jié)器，采用2.2V至5.5V電源供電，最大輸出電流為150mA。驅動150 mA負載時壓差僅為105 mV，這種低壓差特性不僅可提高效率，而且能使器件在很寬的輸入電壓范圍內工作。ADP150采用新穎的電路拓撲結構，實現(xiàn)了超低噪聲性能，而無需額外的噪聲旁路電容，非常適合對噪聲敏感的模擬和RF應用。ADP150在提供超低噪聲性能的同時，并不影響其電源抑制(PSRR)或線路與負載瞬態(tài)響應性能。它實現(xiàn)了超低噪聲與低靜態(tài)功耗的最佳組合，使便攜式應用的電池使用時間可達到最長。
ADP150 經(jīng)過專門設計，在1 μF±30%小陶瓷輸入和輸出電容情況下便可穩(wěn)定工作，適合高性能、空間受限應用的要求。它可提供1.8V～3.3V范圍內的14種固定輸出電壓選項。短路和熱過載保護電路可以防止器件在不利條件下受損。ADP150提供5引腳TSOT和4引腳、0.4mm間距WLCSP兩種小型封裝，是適合各種便攜式供電應用的業(yè)界最小尺寸解決方案。該款產(chǎn)品可應用在移動電話、數(shù)碼相機和音頻設備、便攜式和電池供電設備、后置DC-DC調節(jié)、便攜式醫(yī)療設備以及RF、PLL、VCO和時鐘電源當中。
村田：手機用微型DC/DC轉換器沿用到可穿戴設備中
日前，村田制作所(Murata)在展會推出了可穿戴設備的整體解決方案。展出的可穿戴設備(Murata概念手環(huán)，圖3)集成了薄膜型溫度傳感器(用于檢測體表的溫度)、光傳感器(用于檢測心率)以及MEMS氣壓傳感器(檢測氣壓，進而檢測高度)三種傳感器。同時，它還集成了藍牙智能模塊、微型DC-DC轉換器，以及片狀多層陶瓷電容。對于該產(chǎn)品的續(xù)航能力，村田工程師介紹說：“產(chǎn)品的續(xù)航時間取決于具體應用設計。這款展示方案采用CR2032鋰錳扣式電池，若所有功能全開，可以工作3～4天時間。”
其中，該設備采用的微型DC-DC轉換器模塊系列集成了功率IC、功率電感，以及輸入和輸出電容(圖4)。該系列模塊尺寸為2.5mm×2.0mm×1.1/1.2mm，其特點是體積非常小，抗EMI干擾能力強。該系列輸出電壓為1.0V～3.3V，輸入電壓為2.3V～5.5V，最大負載電流為600mA。它總共有3大類：降壓、升降壓和升壓。
圖3：Murata概念手環(huán)采用了其微型DC-DC轉換器設計
圖4：Murata微型DC-DC轉換器結構
該電源管理模塊系列可用于智能手機、平板電腦、光模塊、固態(tài)硬盤以及可穿戴設計，其最初就是針對智能手機而開發(fā)的。但是由于其具有體積小的特點，可以沿用到可穿戴應用中。村田工程師認為，可穿戴設備對電源的要求包括：體積小、效率高和EMI特性好(因為尺寸小，相互干擾的可能性會變大)。對于可穿戴設備往后發(fā)展功能會更多的問題，他指出，對于集成型電源模塊來說，由于用電方式不一樣(電壓不同)，就可能需要多路輸出。村田針對移動設備有一定經(jīng)驗，有這樣的多路產(chǎn)品。今后村田也將憑借這樣的經(jīng)驗，開發(fā)一些針對可穿戴應用的電源產(chǎn)品。
該公司另一位工程師補充說：“現(xiàn)在一般的可穿戴產(chǎn)品的電源設計都采用一顆電源管理芯片(PMIC)放在中間，旁邊配上升壓、降壓電路的方式來實現(xiàn)。這會造成電路板的面積較大，EMI方面需要做一定調試。這款DC-DC轉換器的主芯片和元器件都是通過層疊方式實現(xiàn)，這就能夠極大降低占板面積。而且芯片在做好后就已經(jīng)做了調試匹配，這就能夠提高效率、節(jié)省空間。該系列模塊效率從85%～96%都有，具體取決于客戶需求，比如輸出電壓調整等。”
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