穿戴式裝置市場的成長日益強勁,預計未來幾年內將銷售達6億台裝置,並且隨著物聯網(IoT)的崛起和即將到來的工業4.0,未來的發展越來越樂觀。今天,穿戴式裝置不再只是一些小玩意了,它還包括許多醫療領域使用的健康監測工具。

影響穿戴式裝置市場普及的障礙在於其能源自主性:為了加強「穿戴式」 (wearable)的概念,必須採用小型電池,並且進一步改善其能效和電源管理。

高度整合的電子裝置由於提供新的控制功能,催生了許多應用和多功能的使用場景,進一步改善我們的生活環境。技術發展的腳步非常快速,穿戴式裝置提供的可能性已經涉及醫療領域。健康監測用的穿戴式裝置能夠嚴格且即時地控制重要的生命徵象,從而為醫療專家提供透過雲端存取監測資料的可能性。

一般穿戴式裝置管理的資訊量、視覺化LED介面以及低功耗藍牙(BLE)通訊協定都需要高效率的電源管理解決方案,才能實現更長使用壽命的產品,同時使用能量採集技術提供充電的新機會。穿戴式裝置已經證實是使用能量採集技術的沃土,人們可以利用穿戴者的動能產生電能,並為所穿戴裝置中的電池直接充電,如圖1。

20170518_Wearable_TA31P1 圖1:採用TI CC2541 SoC建構的穿戴式裝置

電源模式

設計人員的首要考慮因素就在於最佳化節能技術,充份發揮在一定時間內待機模式下的低功耗解決方案優勢,並利用可能的實體中斷喚醒穿戴式裝置,如振動或突然移動。為了收集資料,健身裝置可能作業於啟動模式,但在未偵測到運動時則可進入節能狀態,並盡可能地保持在睡眠或深度睡眠模式。

目前,緊密型鋰離子電池技術是穿戴式裝置的主要能源,然而,容量與電池的尺寸密切相關,而且經過幾年的使用後容量也會大幅降低。

有效延長電池壽命的一種方法是為穿戴式裝置降低諸多感測器的功耗。所有的感測器都扮演重要的作用,並以不同的電壓等級作業於電池中,因此它們需要直流/直流(DC/DC)轉換器,如圖2。提高轉換效率直接影響電池的壽命。開關穩壓器的選擇也是儘可能提高效率、為每步驟工作決定功耗級的關鍵因素之一。根據輸入與輸出的電壓值,能以1mA的低靜態電流實現最大80%的效率。

20170518_Wearable_TA31P2 圖2:多軌DC-DC配置

相較於線性穩壓器,基於電感的DC/DC開關型轉換器具有優異的效率,因此是首選元件,但增加多個基於電感的開關型穩壓器來滿足各個電壓要求的成本太高。當然也可以考慮使用多軌的DC-DC或開關電容轉換器取代線性穩壓器,以提高整體效率並延長電池壽命。

德州儀器(TI)的TPS82740A模組專門設計用於滿足諸如智慧手錶等穿戴式裝置的電源要求。這種模組採用“MicroSIP”技術(微型系統級封裝),在面積僅6.7mm2的封裝內整合了開關電容和輸入/輸出電感。如圖3所示的典型配置不需要任何外部元件。TI模組的作業原理採用無縫轉換至節能模式的直接控制技(DCS-Control)。該元件可作業於充電鋰離子電池或以鋰為主的電池(比Li-SOCl2、Li-MnO2),或是採用兩個或三個鹼性電池工作。輸入電壓最高5.5V,也允許從USB埠或薄膜太陽能模組(如果想利用能量採集技術的話)取電工作。

20170518_Wearable_TA31P3 圖3:採用經典配置的TI TPS82740A模組

熱能採集

使用熱電產生器(TEG)可以將熱能轉換為電能,其核心是熱電堆。從熱力學的原理來看,人類皮膚上的熱能量無法有效地轉換為電能,即使人類平均可以產生100W以上的能量。但我們假設大約1%到2%的低轉換效率,所取得的能量就足以使一個低功耗穿戴式裝置正常工作。直接接觸皮膚放置的TEG穿戴式裝置產生的熱電路可以用人體和環境的熱電阻加以描述。這些電阻串聯在一起,可代表熱電產生器的熱阻。

我們一直在產生熱,這是人體新陳代謝的副作用。然而,只有少部份的熱透過熱流和紅外線輻射耗散到周遭環境中,剩下的熱量則以水蒸汽的形式被抑制。另外,只有少部份的熱流可以被收集起來並儲存為能量。兩層之間產生的電壓幅度V取決於材料和溫度,並以塞貝克(Seebeck)係數S函數遵循線性關係。

20170518_Wearable_TA31P4 圖4:採用熱能採集技術的起搏器方塊圖

正如我們所看到的,能量最佳化的同時,必須伴隨正確的元件選擇,不只是各種不同的元件,同時還包括電源以及智慧的管理系統,只在必要時提供電源的智慧管理系統。

設計低功耗系統時有許多需要考慮的因素:功耗、所需要的週期、電壓和總功耗。因此,所有的設計場景都必須仔細地加以規劃。