隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G的飛速發(fā)展，我們?nèi)粘Ｊ褂玫闹悄茉O(shè)備的數(shù)量正變得越來越多。現(xiàn)在我們每個人都會用到多種設(shè)備，而所有這些設(shè)備幾乎都需要充電并對電源進(jìn)行維護(hù)。

      目前可穿戴市場主要由手環(huán)和智能手表所組成。對可穿戴設(shè)備來說，最大的挑戰(zhàn)是如何恰當(dāng)、方便地為它們持續(xù)供電。對于目前很多的手環(huán)和手表設(shè)計來說，用戶都必須先把它們脫下來，插到有線充電器上才能充電（這也是我不愿再用這類設(shè)備的原因）。即使是采用了電磁感應(yīng)式充電解決方案——比如蘋果的iWatch，用戶也仍然需要把它們脫下來，放到充電器上去充電。

      在我們進(jìn)化出更多手臂、手指和耳朵等等之前，我們需要有一種不易被人察覺的方式來對這些設(shè)備充電并使用。讓我們用感覺不到的新方式來為可穿戴設(shè)備供電，而讓這些不斷演進(jìn)、讓人眼前一亮的技術(shù)更方便使用吧。

      本文將介紹這一領(lǐng)域中的一些最新開發(fā)成果，來為大家參考。希望這些成果有助于設(shè)計人員開發(fā)出業(yè)內(nèi)迫切需要的創(chuàng)新解決方案。

無線供電（尼古拉·特斯拉會贊成）

      現(xiàn)在我們幾乎所有設(shè)備都需要單獨(dú)充電，因此無線供電肯定會是贏家，也是我在這類應(yīng)用中的第一選擇。

服裝級的感應(yīng)式輸電

      可穿戴服裝可能包含多個智能設(shè)備，用它作為配電骨干會很有前途（這方面還有許多研究工作要做）。另外，服裝與服裝之間的電能傳輸可以采用雙向感應(yīng)輸電技術(shù)。參考文獻(xiàn)“Garment level power distribution for wearables using inductive power transfer”中選擇了基于LCL-LCL拓?fù)涠皇谴?串（SS）拓?fù)涞碾娐罚驗镾S拓?fù)湄?fù)載電流會隨著負(fù)載（比如電池）變化而變化（見圖1）。

       圖1：無線輸電（WPT）設(shè)計中所用補(bǔ)償電路拓?fù)溆兴姆N，這里是其中兩種：（a）SS拓?fù)?，（b）LCL-LCL拓?fù)洹?/p>

      上述電路工作在99kHz，可在智能設(shè)備之間實現(xiàn)雙向電能交換。

      在多個設(shè)備之間進(jìn)行雙向電能共享很有意義。某個設(shè)備（比如智能手機(jī)）的電池容量可能比一些小體積的設(shè)備（比如健身追蹤器）更大，因此可以用來給這些更小的設(shè)備供電。這樣，穿戴者可以在給智能手機(jī)方便充電的同時，延長那些更小設(shè)備的使用時間。

      這種方法成功的關(guān)鍵是，這些可穿戴背心或服裝是以最不易讓人察覺的方式設(shè)計。采用用柔性材料制造的饋電線圈來設(shè)計是種好方法，見圖2和圖3。

      圖2：饋電線圈的理想電路圖（a）及其等效電路（b）。

      圖3：上方是用銅帶制作的柔性饋電線圈；下方是早期用24號硬線做的饋電線圈原型。

      現(xiàn)在雙向輸電電路可以基于LCL逆變器來構(gòu)建，其中，兩個反相方波分別輸入到四MOSFET逆變器的1號和2號輸入端，見圖4。

      圖4：雙向感應(yīng)式電能傳輸電路。

      整個系統(tǒng)構(gòu)建完成后，圖5就是完整的電能共享系統(tǒng)。

      圖5：完整的電能共享系統(tǒng)原理圖。左邊是發(fā)射器，中間是饋電線圈，右邊是接收線圈。

能量采集

      保持可穿戴設(shè)備始終充電并長久運(yùn)行的另外一種好方法是射頻能量采集。這一領(lǐng)域正在研究中，對于可能的設(shè)計解決方案，一個例子是毫米波噴墨能量采集方法，可以用在可穿戴設(shè)計的柔性電路中（參考文獻(xiàn)“Millimeter-wave Ink-jet Printed RF Energy Harvester for Next Generation Flexible Electronics”）。

      這種設(shè)計使用了噴墨印制的毫米波整流天線，該整流天線可以將電磁能量轉(zhuǎn)換為直流電能。

      這種設(shè)計先通過天線捕獲24GHz信號，然后將信號送到整流器——該整流器前面有一個輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，用于最大程度地將電能傳輸給諧波端接網(wǎng)絡(luò)（HTN）。例如，諧波端接網(wǎng)絡(luò)（HTN）對二極管在奇次諧波下提供開路阻抗，在偶次諧波下提供短路阻抗。諧波端接網(wǎng)絡(luò)還能將射頻分量從直流分量隔離。無過孔直流返回通路取消了信號到地的過孔，因此不會產(chǎn)生毫米波頻率下可能產(chǎn)生的嚴(yán)重寄生問題，詳見圖6。

      圖6：整流天線開發(fā)概念框圖。

       整個系統(tǒng)是由柔性液晶聚合物（LCP）基板和用Dimax FujiFilm DMP-2831噴墨打印機(jī)打印出來的銀納米粒子墨水制作的微帶線實現(xiàn)的。

      天線采用平面2x2貼片陣列設(shè)計，4個貼片通過一個帶3個T型結(jié)點(diǎn)的公共饋電網(wǎng)絡(luò)連接，這3個T型結(jié)點(diǎn)都在同一層上，作為50Ω的輸入饋線，見圖7。

       圖7：天線版圖。天線尺寸可以在前述參考文獻(xiàn)中找到。

       在這個設(shè)計的實驗中，LED燈被空中傳過來的24GHz信號成功點(diǎn)亮。

一些有趣的元器件解決方案和技術(shù)

Powercast公司的PowerHarvester IC

      Powercast公司的首席運(yùn)營官/首席技術(shù)官Charles Greene博士談?wù)摿嗽摴镜目纱┐髟O(shè)備供電解決方案。這家公司的解決方案讓我非常感興趣，詳見圖8。

  圖8：Powercast公司的無線再充電解決方案。

      可穿戴設(shè)備設(shè)計人員可以將Powercast公司的Powerharvester IC嵌入到可穿戴設(shè)備中，為一個或多個設(shè)備提供一定距離的無線充電。通過收集ISM頻段的射頻能量，這種IC可以向可穿戴設(shè)備的電池提供涓流充電。這種方法支持可水洗的密封設(shè)備。

      這種解決方案的外形尺寸很小。Powerharvester芯片提供頻繁和透明的再充電，允許使用更小的電池，從而支持更小更薄的設(shè)備。

      在壁櫥或梳妝臺抽屜中可以安裝類似手機(jī)發(fā)射器的小功率射頻發(fā)射器。這種發(fā)射器可以為可穿戴服裝提供充電區(qū)域。不管可穿戴設(shè)備是在壁櫥里還是在抽屜里，這些設(shè)備的電池都能自動接收涓流充電。這種方法與接收器需要依賴一定頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)射頻信號的場景不相干。圖9給出了射頻電源種類。

      圖9：Charles Greene博士在2017年美國傳感器博覽會上的演講中提到的射頻電源種類。

      這種創(chuàng)新解決方案成功的關(guān)鍵是采用了極其高效的射頻至直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計，接下來看看這家公司管理他們系統(tǒng)的方式。

系統(tǒng)設(shè)計

      Powercast的方法，因為只依靠環(huán)境中的射頻能源會很難預(yù)測。通過提供其自己的射頻能源，系統(tǒng)就能獲取穩(wěn)定的能量流。雖然在沒有電的偏遠(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境能源可能是一種更好的解決方案，但我相信大部分市場，特別是可穿戴設(shè)備市場，可以使用專門、可靠的無線發(fā)射器。

      圖10是距離可以從幾英寸到超過100英尺的典型專用射頻能量廣播方案。發(fā)射功率范圍可以從幾微瓦到幾毫瓦。

      圖10：Powercast系統(tǒng)可以為支持的設(shè)備提供自動充電，參數(shù)可以根據(jù)特定設(shè)計需求進(jìn)行控制。這些參數(shù)有功率等級、頻率、發(fā)射/接收天線增益和發(fā)射器數(shù)量、距離、設(shè)備工作周期以及系統(tǒng)成本。

頻率的重要性

      用弗里斯傳輸公式可以計算在發(fā)射天線增益為G2、距離為r、工作頻率為f或波長為λ的條件下，從增益為G1的接收天線收到的功率。Greene博士的設(shè)計就是從弗里斯公式開始的。

      注：以下公式假設(shè)是遠(yuǎn)距離工作（隨著r趨向于0，接收到的功率將趨向于無限大，因此這些公式使用有限制）。

      事實上，單位為W/m2的功率密度(S)與頻率不相關(guān)：

      其中： PT是發(fā)射功率； r是天線范圍或距離； ΓT是發(fā)射器反射系數(shù)； GT(θT,ΦT)是與角度有關(guān)的發(fā)射器增益。

      天線的有效面積（Ae）與頻率的平方成反比：

      因此，如果特定設(shè)備允許的話，增加天線尺寸會使信號在較高頻率下方向性更好。下面是基于雷達(dá)公式的計算：

      其中： PR是接收到的數(shù)據(jù)功率； GR是最大的接收器增益。

      相反，頻率越低，信號就越具有全向性，一般也允許更大的吞吐量。天線尺寸自然而然取決于接收設(shè)備的尺寸（例如，游戲控制器用915MHz雙極子天線，或助聽器等類似設(shè)備用2.4GHz或5.8GHz雙極子天線）。

發(fā)射器

      Powercaster TX 91501發(fā)射器采用免許可ISM頻段的915MHz中心頻率，并采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)對功率進(jìn)行調(diào)制——DSSS是一種將原始數(shù)據(jù)信號乘以偽隨機(jī)噪聲擴(kuò)展編碼的擴(kuò)頻技術(shù)。擴(kuò)展編碼具有更高的碼片速率（編碼比特率），支持寬帶連續(xù)時間加擾信號。軍方使用這種技術(shù)來有效對抗特別是窄帶干擾/人為干擾信號，而使信號更不容易被潛在黑客發(fā)現(xiàn)。

      數(shù)據(jù)則是采用幅移鍵控（ASK）數(shù)字調(diào)制方案，即給正弦信號賦予兩個或多個與數(shù)字信息所采用的電平個數(shù)相對應(yīng)的離散幅度電平。已調(diào)波形一般看起來像是一串正弦信號。

接收器

      接收器側(cè)也是大批量OEM設(shè)計和參考設(shè)計用PCC110射頻至直流轉(zhuǎn)換器IC和PCC210升壓轉(zhuǎn)換器IC，見圖11。

圖11：接收側(cè)電源用Powerharvester芯片。

      另外還有基于PCC110和PCC210 IC的P1110和P2110模塊，見圖12。

      圖12：Powercast模塊是射頻進(jìn)、直流出的、具有高射頻至直流轉(zhuǎn)換效率（關(guān)鍵參數(shù)之一）的器件。它們設(shè)計用于50Ω天線，支持840MHz-960MHz范圍內(nèi)的多個頻段。

一些應(yīng)用

      圖13：降壓式涓流充電案例。

      圖14：消費(fèi)類電子設(shè)備可以在晚上不使用時通過圖中央的PowerSport發(fā)射器進(jìn)行充電。

德州儀器可穿戴設(shè)備用電源管理參考設(shè)計

      TI推出了一種可行、可擴(kuò)展的可穿戴設(shè)備用電源解決方案，可以用于手表、手環(huán)等可穿戴設(shè)備（見參考文獻(xiàn)“Power Management Reference Design for a Wearable Device with Wireless Charging Using the bq51003 and bq25120”）。與這種方案類似的參考設(shè)計使設(shè)計人員能夠發(fā)揮他們的智慧和創(chuàng)造性，為可穿戴設(shè)備提供創(chuàng)新的供電技術(shù)，見圖15。

      20171030-powerforwearables-15

      圖15：TI可穿戴設(shè)備用無線供電解決方案框圖。

      凌力爾特公司（現(xiàn)ADI公司的一部分）的醫(yī)療用可穿戴設(shè)備和可擴(kuò)展電源解決方案

      凌力爾特公司有一種基于LTC3107的能量采集解決方案，可用于給無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和充電電池進(jìn)行供電，見圖16。

      圖16：采用熱電發(fā)生器供電的能量采集設(shè)計可以延長原電池的壽命。

      凌力爾特還有一款LTC3331，用來將來自多種能源的能量轉(zhuǎn)換給可穿戴設(shè)備供電，見圖17。

      圖17：LTC3331有一個全波橋式整流器，用于接收來自壓電（交流能量）、太陽能（直流能量）和磁能（交流能量）等能源的輸入。

推薦閱讀：

基于加速度傳感器的計步器設(shè)計與實現(xiàn) 
電源線的噪聲共模干擾和差模干擾優(yōu)化設(shè)計 
可控的開關(guān)電源軟啟動電路應(yīng)用設(shè)計 
淺談集成穩(wěn)壓器調(diào)整率參數(shù)的測量原理和方法