圖1:采用TI CC2541 SoC構(gòu)建的可穿戴設(shè)備。
如何利用節(jié)能技術(shù)優(yōu)化可穿戴設(shè)備的電源管理模塊?
發(fā)布時(shí)間:2021-04-27 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的增長(zhǎng)日益強(qiáng)勁,預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)銷(xiāo)售量將達(dá)6億,并且隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的崛起和即將到來(lái)的工業(yè)4.0,未來(lái)的發(fā)展越來(lái)越樂(lè)觀。今天,可穿戴設(shè)備不再只是一些小玩具了,它還包括許多醫(yī)療領(lǐng)域使用的健康監(jiān)測(cè)工具。
可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的增長(zhǎng)日益強(qiáng)勁,預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)銷(xiāo)售量將達(dá)6億,并且隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的崛起和即將到來(lái)的工業(yè)4.0,未來(lái)的發(fā)展越來(lái)越樂(lè)觀。今天,可穿戴設(shè)備不再只是一些小玩具了,它還包括許多醫(yī)療領(lǐng)域使用的健康監(jiān)測(cè)工具。
影響可穿戴設(shè)備市場(chǎng)普及的障礙在于其能源自主性:為了加強(qiáng)“可穿戴”的概念,必須采用小型電池,并且進(jìn)一步改善其能效和電源管理。
高度整合的電子設(shè)備由于提供新的控制功能,催生了許多應(yīng)用和多功能的使用場(chǎng)景,進(jìn)一步改善我們的生活環(huán)境。技術(shù)發(fā)展的腳步非常快速,可穿戴設(shè)備提供的可能性已經(jīng)涉及醫(yī)療領(lǐng)域。健康監(jiān)測(cè)用的可穿戴設(shè)備能夠嚴(yán)格,且實(shí)時(shí)地控制重要的癥狀,從而為醫(yī)療專(zhuān)家提供通過(guò)云端存取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可能性。
一般可穿戴設(shè)備管理的信息量、可視化LED接口以及低功耗藍(lán)牙(BLE)通信協(xié)議都需要高效率的電源管理解決方案,才能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)使用壽命的產(chǎn)品,同時(shí)使用能量采集技術(shù)提供充電的新機(jī)會(huì)。可穿戴設(shè)備已經(jīng)證實(shí)是使用能量采集技術(shù)的沃土,人們可以利用穿戴者的動(dòng)能產(chǎn)生電能,并為所穿戴設(shè)備中的電池直接充電,如圖1。
圖1:采用TI CC2541 SoC構(gòu)建的可穿戴設(shè)備。
電源模式
設(shè)計(jì)師的首要考慮因素就在于優(yōu)化節(jié)能技術(shù),充分發(fā)揮在一定時(shí)間內(nèi)待機(jī)模式下的低功耗解決方案優(yōu)勢(shì),并利用可能的物理中斷喚醒可穿戴設(shè)備,如振動(dòng),或突然移動(dòng)。為了收集數(shù)據(jù),健身設(shè)備可能工作在啟動(dòng)模式,但在未偵測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí),則可進(jìn)入節(jié)能狀態(tài),并盡可能地保持在睡眠或深度睡眠模式。
目前,緊湊型鋰離子電池技術(shù)是可穿戴設(shè)備的主要能源,然而,容量與電池的尺寸密切相關(guān),而且經(jīng)過(guò)幾年的使用后容量也會(huì)大幅降低。
有效延長(zhǎng)電池壽命的一種方法是降低可穿戴設(shè)備內(nèi)的諸多傳感器的功耗。所有的傳感器都有重要的作用,并工作在與電池電壓不同的電壓等級(jí)中,因此它們需要直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器,如圖2。
圖2:多軌DC-DC配置
提高轉(zhuǎn)換效率直接影響電池的壽命。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的選擇也是盡可能提高效率、為每步工作決定功耗級(jí)的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)輸入與輸出的電壓,能以1mA的低靜態(tài)電流實(shí)現(xiàn)最大80%的效率。
與線性穩(wěn)壓器相比,基于電感的DC/DC開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器具有優(yōu)異的效率,因此是首選器件,但增加多個(gè)基于電感的開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器來(lái)滿(mǎn)足各個(gè)電壓要求的成本太高。當(dāng)然也可以考慮使用多軌的DC-DC或開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器取代線性穩(wěn)壓器,以提高整體效率并延長(zhǎng)電池壽命。
德州儀器(TI)的TPS82740A模塊專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于滿(mǎn)足諸如智能手表等穿戴式裝置的電源要求。這種模塊采用“MicroSIP”技術(shù)(系統(tǒng)級(jí)封裝),在面積僅6.7mm2的封裝內(nèi)整合了開(kāi)關(guān)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。
圖3:采用經(jīng)典配置的TI TPS82740A模塊
TI模塊的工作原理采用了無(wú)縫轉(zhuǎn)換至節(jié)能模式的直接控制技(DCSControl)。該器件可工作在充電鋰離子電池或以鋰為主的電池(比Li-SOCl2、Li-MnO2),或是采用兩個(gè)或三個(gè)堿性電池工作。輸入電壓最高5.5V,也允許從USB端口或薄膜太陽(yáng)能模塊(如果想利用能量采集技術(shù)的話)取電工作。
熱能采集
使用熱電發(fā)生器(TEG)可以將熱能轉(zhuǎn)換為電能,其核心是熱電堆。從熱力學(xué)的原理來(lái)看,人類(lèi)皮膚上的熱能量無(wú)法有效地轉(zhuǎn)換為電能,即使人類(lèi)平均可以產(chǎn)生100W以上的能量。但我們假設(shè)大約1%到2%的低轉(zhuǎn)換效率,所取得的能量就足以使一個(gè)低功耗可穿戴設(shè)備正常工作。直接接觸皮膚放置的TEG可穿戴設(shè)備產(chǎn)生的熱電路可以用人體和環(huán)境的熱電阻加以描述。這些電阻串聯(lián)在一起,可代表熱電產(chǎn)生器的熱阻。
我們一直在產(chǎn)生熱,這是人體新陳代謝的副作用。然而,只有少部分的熱通過(guò)熱流和紅外線輻射耗散到周?chē)h(huán)境中,剩下的熱量則以水蒸汽的形式被抑制。另外,只有少部分的熱流可以被收集起來(lái)并儲(chǔ)存為能量。兩層之間產(chǎn)生的電壓幅度V取決于材料和溫度,并以塞貝克(Seebeck)系數(shù)S函數(shù)遵循線性關(guān)系。
正如我們所看到的,能量?jī)?yōu)化的同時(shí),必須同時(shí)準(zhǔn)確選擇各種元件,以及電源和只在必要時(shí)提供電源的智能電源管理系統(tǒng)。
設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)時(shí)有許多需要考慮的因素:功耗、所需要的周期、電壓和總功耗。因此,所有的設(shè)計(jì)場(chǎng)景都必須仔細(xì)地加以規(guī)劃。
圖4:采用熱能采集技術(shù)的起搏器方塊圖
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