你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

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)布時間:2021-04-27 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】可穿戴設(shè)備市場的增長日益強(qiáng)勁,預(yù)計未來幾年內(nèi)銷售量將達(dá)6億,并且隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的崛起和即將到來的工業(yè)4.0,未來的發(fā)展越來越樂觀。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)測工具。
  
可穿戴設(shè)備市場的增長日益強(qiáng)勁,預(yù)計未來幾年內(nèi)銷售量將達(dá)6億,并且隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的崛起和即將到來的工業(yè)4.0,未來的發(fā)展越來越樂觀。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)測工具。
 
影響可穿戴設(shè)備市場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??焖伲纱┐髟O(shè)備提供的可能性已經(jīng)涉及醫(yī)療領(lǐng)域。健康監(jiān)測用的可穿戴設(shè)備能夠嚴(yán)格,且實時地控制重要的癥狀,從而為醫(yī)療專家提供通過云端存取監(jiān)測數(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,才能實現(xiàn)更長使用壽命的產(chǎn)品,同時使用能量采集技術(shù)提供充電的新機(jī)會??纱┐髟O(shè)備已經(jīng)證實是使用能量采集技術(shù)的沃土,人們可以利用穿戴者的動能產(chǎn)生電能,并為所穿戴設(shè)備中的電池直接充電,如圖1。
 
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?
圖1:采用TI CC2541 SoC構(gòu)建的可穿戴設(shè)備。
 
電源模式
 
設(shè)計師的首要考慮因素就在于優(yōu)化節(jié)能技術(shù),充分發(fā)揮在一定時間內(nèi)待機(jī)模式下的低功耗解決方案優(yōu)勢,并利用可能的物理中斷喚醒可穿戴設(shè)備,如振動,或突然移動。為了收集數(shù)據(jù),健身設(shè)備可能工作在啟動模式,但在未偵測到運(yùn)動時,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)過幾年的使用后容量也會大幅降低。
 
有效延長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中,因此它們需要直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器,如圖2。
 
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?
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,但增加多個基于電感的開關(guān)型穩(wěn)壓器來滿足各個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電池壽命。
 
德州儀器(TI)的TPS82740A模塊專門設(shè)計用于滿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)級封裝),在面積僅6.7mm2的封裝內(nèi)整合了開關(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。
 
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?
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),或是采用兩個或三個堿性電池工作。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)的原理來看,人類皮膚上的熱能量無法有效地轉(zhuǎn)換為電能,即使人類平均可以產(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熱流和紅外線輻射耗散到周圍環(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并儲存為能量。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,能量優(yōu)化的同時,必須同時準(zhǔn)確選擇各種元件,以及電源和只在必要時提供電源的智能電源管理系統(tǒng)。
 
設(shè)計低功耗系統(tǒng)時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)計場景都必須仔細(xì)地加以規(guī)劃。
 
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?
圖4:采用熱能采集技術(shù)的起搏器方塊圖
 
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請電話或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
 
 
 
推薦閱讀:
單開關(guān)電路驅(qū)動、半橋電路驅(qū)動
IOTE 2021上海站完美收官丨前瞻布局?jǐn)?shù)字經(jīng)濟(jì)時代,撬動萬億級IoT賽道
雙相電源模塊散熱性能的多層PCB布局方法的研究
使用矢網(wǎng)測量PA S12 S22和功率的方法
絕緣型反激式轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計:變壓器設(shè)計(數(shù)值計算)
要采購可穿戴設(shè)備么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉