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如何为可穿戴设备的超低功耗应用设计延长电池

更新日期:2020-06-21 19:45

                         

  可穿戴设备市场正在蓬勃发展。统计聚合门户网站Statista,指出,全球市场价值将超过今年7 $十亿和$ 12.6十亿在2018年。

  虽然潜在的回报是高,这并不是一件容易的市场进入。设计智能手表或手镯健身是艰难的;消费者期望很多功能,智能手机连接,小巧的外形,重量轻,电池寿命长。高集成度,超低功耗的微处理器和无线芯片的推出缓解了设计过程,但挤压出所有电池的功率仍是关键,以一种可穿戴产品的成功。

  本文将看看如何硅片供应商帮助身打扮设计师通过提供电源节俭显示,微控制器(MCU),硅无线电设备,以及电源管理芯片专为超低功耗应用而设计,延长电池寿命。

  身打扮如雨后春笋般涌现,因为三个关键technologies1收敛中脱颖而出。可以从手表电池运行的超低功耗芯片让公司能够提供紧凑的产品当中,得益于智能手机兼容的无线技术如蓝牙智能(又名蓝牙低功耗技术),与智能手机和平板电脑的无缝通信。便宜的应用程序的范围呈现从可穿戴的指示用户友好的方式收集的信息,例如,多长时间用户需要运动减肥。最近的一项前沿耐磨是阿迪达斯的适合智能腕带追踪它采用蓝牙智能技术从北欧半导体(图1)。

  图1:阿迪达斯适合智能是典型的最新一代可穿戴式产品。 (阿迪达斯/ Nordic半导体提供)

  产品如飞度智能结合工程的多个方面,包括先进的电子设备,如32位MCU,2.4 GHz的硅收音机,模拟 - 数字转换器(ADC),以及显示驱动程序。此外,可佩戴可结合多个传感器测量大气压力,湿度,温度,和加速度。 MCU的能力显著影响设备的性能,并确定它的市场吸引力;所述MCU还常常集成在可佩戴的电子设备的其他元件,例如蓝牙智能无线电和ADC。然而,这并不是故事的全部。

  身打扮必须是不显眼;该放置约束的尺寸和重量,并反过来,在电源的容量。一些身打扮,如智能手表与强大的计算能力和全球定位系统,将设计上借鉴了可充电锂离子电池的资源和消费者接受的要求,以补足细胞偶见。然而,如果再充电的次数可以减少产物可以获取对竞争者的优势。

  其他身打扮,如健身手镯,预计无细胞改变运行数月。技术如基于ARM的低功耗嵌入式处理器和优化的微控制器,如德州仪器(TI)MSP430和“超低功耗”的无线CE,或ZigBee帮助工程师设计的设备可以运行的小电池如CR2032纽扣电池。对于这种类型的电池将持续数月,平均电流消耗必须被限制在只是几毫安。这限制了一个产品也许几十正常运行时毫安和几十微安,甚至几百纳安在睡眠模式(参见技术专区的文章“微小的电压调节器满足可穿戴式电子空间的约束。”)。

  显示器(如果已安装),MCU和硅无线电负责为广大的功耗的可穿戴设备。制造商试图通过使用的技术,如有机LED(OLED)显示器,以限制所述显示的功耗。 OLED的能耗比传统LED功率较小,因为他们不需要任何背光。这项技术也适合于更薄,更轻显示(见技术专区的文章“有机发光二极管靠拢主流照明”)。为了节省更多的权力,这显示目前最小的信息,因为消费者通常能够获取大量的统计数据来自联营公司的应用程序在他们的智能手机,并且显示器切换到省电模式迅速在不被访问。

  该MCU在可穿戴需要处理一些繁重的计算工作,同时最大限度地降低功耗。幸运的是,芯片供应商有很多的经验,在优化这种权衡在移动设备如手机和MP3播放器。技术如高时钟速率来完成工作迅速,让MCU迅速返回到低功耗的睡眠状态,最大限度地降低静态功耗,延长电池寿命(见技术专区的文章“设计技术延长锂离子电池寿命“)。

  还帮助设计工程师充分发挥他或她的功率预算都是无线连接技术,如蓝牙智能和ZigBee。这些专门设计通过传送快速脉冲串的数据,以便它们可以返回到低功耗睡眠模式迅速并通过限制传输范围到大约10米以节省电力。蓝牙智能,例如,不同于传统的蓝牙无线技术采用异步射频协议,不像大哥哥,不必保持不断地“空气”,以保持配对 - 节省了宝贵的电池电量。

  设计工程师还应该知道,传感器经常穿戴式产品所用的类型可以表现出即使在相当高的漏电流“停摆”,所以规定提出,要积极断开电源轨等设备与硬开关,而不是仅仅允许他们断电。

  尽管低功耗的芯片提供了阵列,开发可穿戴式产品,体面的电池寿命还远远没有小事。事实上,电源管理可以造就一个产品。成功身打扮往往同时结合了流行的稳压器技术,成组的开关稳压器的高效率与低辍学线性稳压器(LDO)的“干净”的力量。

  开关稳压器的效率在宽电压和负载范围,但电压和电流涟波输出与敏感的混合信号芯片,特别是硅的收音机造成严重破坏。通过将开关稳压器的输出通过一个LDO,波动变得平滑。由于LDO的效率是成正比的输出电压的输入电压划分,设计工程师应确保开关稳压器的输出(即LDO的输入),靠近LDO的输出,延长电池寿命。 LDO的下部的释放电压,越接近这些电压可以匹配。

  许多制造商提供电源模块开关稳压器和一个或多个低压降稳压器集成到单个芯片中。例子包括TI的TPS61130 - 它集成了一个500 kHz的开关调节器,LDO中产生两个2.5至5.5 V(300和320 mA)的一个模块输出 - 与Maxim的MAX 1765,这又提供了两种输出,2.5-5.5 V (800 mA)的和2.85到可调(500 mA)的。欲了解更多信息,请参阅技术展区文章“功率模块结合了效率与低噪声输出。”

  产品如TI的TPS82740A拿东西,甚至进一步;该模块是专门为照顾身打扮的电力需求,如智能手表。该公司提供的装置中的“MicroSIP”(系统级封装),其中包括在一个封装,仅6.7平方毫米的体积的开关稳压器,电感器,和输入/输出电容器。无需外部元件,使得TPS82740A适用于空间受限身打扮(图2)是不错的选择。

  虽然TPS82740A没有结合的开关调节器,LDO,而不是仅仅采用降压(“降压”)开关稳压器的服务,TI声称输出几乎无波动,不扰乱敏感电路。一种巧妙的特技该模块起着是恢复到100%的占空比,当输入电压接近输出电压(有效模仿一个LDO)。模块的工作从2.2-5.5 V配合200mA的最大输出电流的输入电压范围。

  图3示出一个可穿戴产品采用TPS82740A的示意图。一个常见的电压用于在MCU,无线电和传感器。该MCU是直接连接到开关调节器的输出,因此总是供电。该传感器连接到一个集成负荷开关,只有当用户请求数据,从而节省功率是闭合的输出。

  图3:在一身打扮应用电源的原理图。传感器被关闭在不使用时,以限制泄漏电流和节省电力。 (德州仪器提供)

  开关稳压器的一个缺点是效率尾巴远离在低负载。这可能会损害电池寿命如果不加以控制,因为可穿戴式产品通常会花很长时间在低功耗的“休眠”或“待机”模式,几乎不需用户干预。芯片制造商已经解决的由任一改变开关频率,跳跃脉冲,或者甚至悬浮剂操作共直到该输出电压低于一定的阈值的开关稳压器在低负载这一缺点。所有这些技术旨在降低开关损耗而变得更加显著为负载降低(见技术专区文章“使用PFM提高开关DC / DC稳压器效率,在低负荷”)。

  TI采用专有技术,该公司称之为DCS控制(“直接控制的无缝过渡到省电模式”)在TPS82740A。在高负载电流时,开关调节器以准固定频率脉宽调制(PWM)模式。最大开关频率为1.7兆赫。当负载电流减小,所述模块通过线性改变开关频率进入功率节省模式。在极轻负载时,该模块生成单开关脉冲来壮大电感电流和充电输出电容,返回到360 nA的静态电流消耗模式,直到输出电压低于设定的阈值。

  在设计身打扮是艰难的,制造商提供专门设计的低功耗芯片和丰富的工程咨询,使生活的工程师更容易一些。好消息是,消费者已经采取的一大途径身打扮;因此利润丰厚的奖励等待着跟随在Garmin公司,阿迪达斯,企业,和Fitbit的脚步与盟军巧妙的智能手机应用程序高效,实用的监控产品。