消費者對於穿戴式技術的需求激增。市場分析公司Gartner估計,2017年穿戴式裝置市場將達到超過3.2億台(相當於350億美元的收入)的年出貨量。智慧手錶和健身監測系統(如運動手錶和腕帶)至少將佔整體的60%。

如今,穿戴式市場雖然引起了消費者強烈的興趣,但這種技術最簡單的形式自最早出現以來其實已約有45年的歷史。第一例出現在1970年代初——被稱為數位手錶,來自卡西歐(Cisco)和Pulsar等公司。這樣的產品與如今問世的智慧手錶,當然在功能範圍(少得多)和電池壽命方面(反而更長)不可同日而語。這是現代穿戴式電子產品真正面臨的一個問題——隨著新一代產品的演變(增加的功能),運作時間大幅縮短。坦白說,這表示著走錯了方向。

以往的穿戴式裝置基本上都是直接連接到電池(操作微控制器、顯示器等),無需顧慮額外的電源管理。電池一般能連續使用兩三年,也許更久。這對使用者來說非常方便,不至於發生意外關機的問題。新一代穿戴式裝置的最大的挑戰就在於——許多情況下,電池的使用時間不到一天。因此,使用者可能被迫面臨穿戴式裝置缺少足夠作業時間以及無法撐到有機會再次充電的隱憂。這不僅導致使用者的沮喪,也在某種程度上阻礙了某些穿戴式市場的進展。

有些穿戴式裝置設計的固有特點會對其電池儲備產生重大影響。設計工程師需要充份意識到這些狀況。首先,電池可用空間有限。其次,由於消費電子業務競爭激烈,物料清單成本(BoM)必須保持在很低的水準。第三,儘管多年來人們對電池的需求大大增加,但他們所依賴的基礎化學還沒有發展到可支持需求水準的地步。因此,需要更複雜的電源管理以彌補不足。必須努力提高電源轉換能效水準,才能減少功率損耗。

穿戴式裝置的組成

穿戴式技術可以採用各種形式,所以讓我們專注於一個最常見的例子——健身追蹤器。這包括以下關鍵元件:

  • 微控制器——用於執行處理任務
  • 顯示器——讓使用者讀取各種資料的介面(心率、行走距離、時間等)
  • 低功耗無線收發器——用於向電腦或平板電腦傳輸資料
  • 各種不同的感測器
  • 支援電源管理的系統

每一款元件都耗用電池電量,而這耗電量對身追蹤器的運作至關重要。技術進步意味著每一個元件都在逐漸減少功率預算。顯示器將是一款可較以往顯示器類型擷取更低電流的薄膜電晶體(TFT)。當我們轉向新的製程技術,微控制器的功率需求也在降低。大多數情況下,無線收發器都能符合藍牙低功耗(BLE)協議。此外,每個元件只運作一小段時間(例如顯示器只在使用者讀取資訊時才完全啟動,BLE收發器也只在資料傳輸時才用到)。然而,微控制器將在大部份時間發揮作用,而電源管理電路則基本上隨時都在使用中。雖然這似乎完全有悖常理,但傳統的電源管理機制在穿戴式裝置整天運作下可能是最耗電的。

過去幾年來,隨著運算能力變得越來越不值錢,微控制器所被賦予的功能也變得越來越多。事實上,對於功耗敏感的應用,例如穿戴式裝置,這種配置顯然不恰當——盡可能避免開啟微控制器(和其他耗電的元件)對於功率預算至關重要。在某些情況下,針對穿戴式設計的微控制器待機電流會非常低,所以看起來很有吸引力,但可能需要4mA或5mA電流來喚醒。如果必須被定期喚醒,那麼對於穿戴式裝置電池的電荷將會是相當大的負荷。

所以需要實施一種全新的策略。結合超低功耗微控制器與可編程電源管理單元,便能利用「分散式智慧」,以及顯著改善整體電源能效。這意味著,只有需要啟動的功能會消耗電池電量,因而能延長電池的使用時間。

例如傳統的穿戴式健身追蹤器,包括一個低功耗微控制器、低功耗藍牙(BLE)收發器和精密的電源管理晶片,在系統閒置時的功耗僅為3μA或4μA。而在被喚醒時,無論是檢查動作或搜尋射頻(RF),都會使功耗大幅提高到閒置功耗的200倍。如果結合可編程電源管理單元,以及考慮利用內部計時器取代電源管理晶片/微控制器負責喚醒/睡眠週期的功能,那麼功率預算可降低,因為不需要使用微控制器。可編程電源管理單元也可以負責從感測器收集資料,而使微控制器只在需要運算時喚醒。甚至可以執行基本的人機介面功能。採用這種方法,可以減少穿戴式裝置多達30%的整體功耗。

相較於只是將功能不斷整合於單個晶片中,分散式智慧模型意味著整個系統可採用更高電源能效的方式運作。同樣的方式已出現在建築物自動化應用,也開始見於物聯網,這種類型的拓撲結構是未來的方向。利用挪移一些來自微控制器的功能元素,轉而讓電源管理單元代替處理,可望縮小電池,同時延長電池的使用時間。

摩爾定律(Moore’s Law)持續推動半導體產業邁向更小的製程節點,也使我們創造出越來越多的整合晶片,這在處理能力等方面固然帶來眾多好處,但並未造成某種程度的妥協——功耗方面最為明顯。穿戴式技術的長期進展在很大程度上取決於電源管理的進一步進展。很明顯地,實施分散式智慧能發揮很大作用,擺脫只是不斷將整合度越推越高的傳統思維。

工程師現在需要做出更好的架構選擇,而不是只做原本一直在做的事情,以及永遠著眼於在晶片上不斷增加更多功能。我們不能習於按部就班的步調,而是必須開始導入功率導向的觀點,而不只是整合導向。

20170621_Onsemi_TA31P1 可編程的單電池電源管理裝置方塊圖。例如即將發佈的LC709301提供充放電控制與燃料管理特性,並配置GPIO與I2C介面;在3x3mm的QFN封裝中待機功耗僅50-100nA