可穿戴技术利用低功率转换保障身体健康

背景信息

一度像走路或跑步计步器一样简单的可穿戴设备，似乎一夜之间就变得更先进或智能化了。从面向听障人士的语音振动转换背心、先进的健身活动跟踪器到夜视设备甚至平视成像显示器，可穿戴设备已经成为消费类、军用和工业市场的一部分。“可穿戴产品” 可定义为具备以下特点的产品：用户穿戴在身上较长时间，而且由于穿戴了该产品而在某种程度上拥有更好的体验。“智能化” 可穿戴产品则增加了连网能力和独立数据处理能力。可穿戴产品从应用上分成 5 种类别：健身 / 保健 (活动监视器、健身带、足部传感器和心率监视器);信息娱乐 (智能眼镜 / 护目镜、智能腕表和成像设备);军用 (夜视设备、平视显示器、人体外骨骼和智能服装);工业 (佩戴在身上的终端) [来源：2013 IHS Electronics and Media]。这些产品的采用率是由不同的市场力量驱动的。就军用类别而言，人们希望的是提高作战效能以及对周围情况的感知、地图 / 路径识别和拯救生命的能力。工业类别的主要驱动力是提高生产线效率和跟踪能力。对于信息娱乐类别则是采用尖端成像及虚拟现实技术以持续爆炸性增长游戏市场，以及日益增加并能够无线连接智能手机以成为 “物联网 (IoT)” 组成部分的设备。最后，保健与医疗市场的主要驱动力包括：平均寿命延长、限制不断上升的医疗和保险费用、希望保持健康生活以及缩短住院时间。

有关健康的生物统计数据

有关健康的生物统计数据指的是衡量人体基本机能的生命体征数据，包括体温、脉搏/心率、呼吸频率和血压。这些生命体征数据至关重要，因为这些数据中如果出现不好的变化，可能意味着健康水平下降，反之亦然。为了测量这些生物统计数据，医院和医生诊室中当然配备了齐全、昂贵的设备。不过，想象一下，如果不用去医院就可以高效测量这些数据，而且不用花费很多，那么生活质量会有多大改观? 例如，在家中或工作场所，可以按照实时生命体征数据即时调整生活和行为方式，这可以改善健康水平并有可能延长甚至挽救生命。幸运的是，设备成本大幅下降，先进的传感器技术不断进步，因此智能医疗保健可穿戴设备得以持续激增。这类可穿戴设备包括较简单并可佩戴在身上的 “单一生命体征” 测量产品，也包括较复杂和到处都是传感器的人体外骨骼设备。不过，从集成电路 (IC) 电子产品角度来看，划分这些可穿戴设备的组成以及给这些设备高效供电并非微不足道之事。为了进一步理解这一点，接下来我们看看一个典型的智能可穿戴设备的内部组成。

典型的智能可穿戴设备

典型智能可穿戴设备的运行靠什么驱动? 可以把它想象成一个微型嵌入式系统。准确地划分其组成显然取决于设备本身。然而，一般而言，一款智能可穿戴设备的核心架构包括以下部分：

Ÿ一个微处理器或微控制器或类似 IC

Ÿ某些微型机电传感器 (MEMS)

Ÿ小型机械传动器

Ÿ全球定位系统 (GPS) IC

Ÿ蓝牙 / 蜂窝 / Wi-Fi 连接以收集 / 处理和同步数据

Ÿ成像电子组件，LED

Ÿ计算资源

Ÿ可再充电或主 (非可再充电) 电池或电池组

Ÿ支持性电子组件

可穿戴设备的主要设计要求通常是紧凑的外形尺寸、重量很轻以实现可穿戴性 / 舒适性、以及超低能耗以延长电池运行时间 / 寿命。不过，以最低电流消耗准确和高效地给这些设备供电并非如此简单。与智能可穿戴设备供电有关的主要问题包括：

1)在电池供电设备中，电源管理 IC 的电流消耗要很低，这对延长运行时间是至关重要的。必要使用微功率或毫微功率转换 IC。

2)MEMS 传感器需要用稳定和低噪声的电源供电。动作频繁的传动器也能从中受益。LDO 或低纹波开关稳压器非常适合这类轨，因为这类稳压器具备很低的输出噪声。

3)蓝牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窝连接系统电源轨也要求低噪声。低压差稳压器或 LDO 后置调节开关稳压器 (因输出电流可能很高) 或低纹波开关稳压器是非常好的选择。

4)处理器 (可穿戴设备的 “大脑”) 电源。从 ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片到 FPGA，都需要各种低压电源轨，以涵盖整个电流范围。这些芯片可以由 LDO 或开关稳压器供电。

5)既然不是所有可穿戴设备都由可再充电电池供电，那么有些设备可以使用主 (非可再充电) 电池，这类电池要求每次更换之间可运行较长时间。因此，找到一种估计电池运行时间的方法是个关键。

6)紧凑的尺寸和很轻的重量使用户感觉更加舒服。封装紧凑的 IC 可构成占板面积很小的解决方案，因此使可穿戴设备外形小且重量轻。

超低静态电流 IC 解决方案

显然，满足可穿戴应用需求以及解决上述相关问题的 IC 解决方案应该具备以下特点：

Ÿ无论在工作模式还是停机模式，都具备超低静态电流

Ÿ宽输入电压范围以适应各种电源

Ÿ能够高效地给系统电源轨供电 (有些电源轨具备 >5V 的较高电压)

Ÿ能够准确对电荷计数以确定电池运行时间，但对 IC 静态电流 (电池电量消耗) 不造成显著影响

Ÿ占板面积小、重量轻且外形扁平的解决方案

Ÿ先进封装以提高热性能和空间利用率

幸运的是，凌力尔特不久前已推出了相关产品，例如超低静态电流 LTC3388/-x 降压型稳压器、毫微功率 LTC3331 能量收集稳压器、和集成了库伦计数器的 LTC3335 降压-升压型转换器都已经具备了上述大多数特点。

LTC3388 是一款超低静态电流同步降压型稳压器，可用 2.7V 至 20V 输入电源提供高达 50mA 的连续输出电流。LTC3388 的无负载工作电流仅为 720nA，因此非常适合多种电池供电和低静态电流应用 (例如：“保持有效” 电源和可穿戴设备)。其同步迟滞整流在很宽的负载电流范围内优化了效率。该器件在 15uA 至 50mA 负载范围内还提供超过 90% 的效率，而且在稳压时的无负载静态电流仅为 720nA，因此延长了电池寿命。3mm x 3mm DFN 封装 (或 MSOP-10) 和仅 5 个外部组件相结合，为多种低功率应用提供了占板面积紧凑和非常简单的解决方案。图 1 显示了 LTC3388 的典型应用电路。

图 1：LTC3388-1/-3 典型应用电路

LTC3388/-x 系列主要特点小结：

Ÿ稳压时的 720nA 输入 Iq (无负载)，VIN = 4V

Ÿ稳压时的 820nA 输入 Iq (无负载)，VIN = 20V

ŸUVLO 时 400nA 输入 Iq

Ÿ2.7V 至 20V 输入工作电压范围

Ÿ输出电流高达 50mA

Ÿ引脚可选输出电压

Ÿ1.2V、1.5V、1.8V、2.5V (LTC3388-1)

Ÿ2.8V、3.0V、3.3V、5.0V (LTC3388-3)

Ÿ高效率同步迟滞 DC/DC 转换

Ÿ备用模式停止降压切换

Ÿ10 引线 MSOPE 和 3mm × 3mm DFN 封装

毫微功率静态电流 IC – LTC3335 和 LTC3331

LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降压-升压型转换器，内置的精确库伦计数器提供高达 50mA 的连续输出电流。该器件具备仅为 680nA 的静态电流和从低至 5mA 直至高达 250mA 的可编程峰值输入电流，非常适合多种低功率电池应用 (例如：可穿戴设备和 IoT 设备中那类电池应用)。其 1.8V 至 5.5V 输入范围和 8 个在 1.8V 至 5V 之间的用户可选输出用高于、低于或等于输出的输入，提供稳定的输出电源。此外，在长寿命非可再充电电池供电应用中，该器件集成的精确 (电池放电测量准确度为 ±5%) 库伦计数器准确监视累计电池放电量，这类应用在很多情况下具备极度平坦的电池放电曲线。典型应用包括无线传感器、远程监视器和凌力尔特的 Dust Networks® SmartMesh® 系统。LTC3335 包括 4 个内部低 RDSON MOSFET，可提供高达 90% 的效率。其他特点包括可编程放电报警门限、一个用来获取电荷量数值及设定器件的 I2C 接口、一个电源良好输出以及 8 个 5mA 直至 250mA 的可选峰值输入电流，以适应多种类型和尺寸的电池。LTC3335 采用耐热性能增强型 20 引线 3mm x 4mm QFN 封装，工作结温范围为 -40°C 至 +125°C。图 2 显示了典型的 LTC3335 应用电路。

图 2：简化的 LTC3335 应用原理图

LTC3335 主要特点小结：

Ÿ680nA 输入静态电流 (无负载情况下输出处于稳压)

Ÿ1.8V 至 5.5V 输入工作范围

Ÿ1.8V、2.5V、2.8V、3V、3.3V、3.6V、4.5V、5V 可选输出电压

Ÿ集成的库伦计数器测量累计电池放电量

Ÿ±5% 电池放电测量准确度

Ÿ5mA、10mA、15mA、25mA、50mA、100mA、150mA、250mA 可编程峰值输入电流

Ÿ高达 50mA 的输出电流

Ÿ高达 90% 的效率

Ÿ可编程库伦计数器预分比例器以适合多种尺寸的电池

Ÿ可编程放电报警门限

ŸI2C 接口

Ÿ扁平 (0.75mm) 20 引线 (3mm × 4mm) QFN 封装

LTC3331 是一款完整的能量收集解决方案，当可收集能量可用时，提供高达 50mA 的连续输出电流以延长电池寿命。简单的 10mA 分路允许用收集的能量给可再充电电池充电，同时低电池电量断接功能保护电池免于深度放电。当用收集的能量向负载提供稳压电源电时，该器件仅需要电池提供 200nA 电源电流，而在无负载情况下用电池供电时，仅需要 950nA 工作电流。LTC3331 集成了一个高压能量收集电源、一个电池充电器和一个同步降压-升压型 DC/DC 转换器，为诸如无线传感器网络中的能量收集应用等提供单一连续稳压输出。能量收集电源由一个接收 AC 或 DC 输入的全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器组成，从压电 (AC)、太阳能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。当没有环境能量可收集时，可再充电电池输入给降压-升压型转换器供电，该转换器在高达 4.2V 的整个电池电压范围内工作，无论输入高于、低于或等于输出，都可稳定。当收集能源不再可用时，LTC3331 自动转换到电池。LTC3331 的能量收集输入在 3V 至 19V AC 或 DC 电压范围内工作，从而使该器件非常适合多种压电、太阳能或磁性能源。其输入欠压闭锁门限设定值在 3V 至 18V 范围内可编程，从而使应用能够在能量收集电源的峰值功率传送点上运行。其他特点包括引脚可编程输出电压和降压-升压型峰值电流限制、一个超级电容器平衡器和一个输入保护分路器。LTC3331 采用耐热性能增强型 5mm x 5mm QFN 封装。图 3 显示了 LTC3331 的典型应用电路。

图 3：LTC3331 典型应用电路

LTC3331 主要特点小结：

Ÿ具输入优先级区分器的双输入、单输出 DC/DC 转换器

Ÿ能量收集输入：3.0V 至 19V 降压型 DC/DC 转换器

Ÿ电池输入：高达 4.2V 的降压-升压型 DC/DC 转换器

Ÿ10mA 分流电池充电器，具 3.45V、4.0V、4.1V、4.2V 可编程浮置电压

Ÿ低电池电量断接

Ÿ超低静态电流：无负载时为 950nA

Ÿ集成式超级电容器平衡器

Ÿ输出电流高达 50mA

Ÿ可编程 DC/DC 输出电压、降压型 UVLO 和降压-升压型峰值输入电流

Ÿ集成的低损耗全波桥式整流器

Ÿ输入保护分流：VIN ≥ 20V 时高达 25mA

Ÿ5mm × 5mm QFN-32 封装

结论

智能可穿戴设备市场近年来已出现爆炸性增长，出现了面向保健与健身、医疗、信息娱乐、军用和工业应用领域的多种产品。包括使用传感器的医疗保健可穿戴设备在内的新一波产品可监视关键生物统计信息，例如在医院以外测量心率和血压，这为采用更加积极、健康的生活方式创造了机会。智能可穿戴设备的核心架构视产品类型而定，但基本上由一个微控制器、MEMS 传感器、无线连接电路、电池和支持性电子组件组成。给小电流可穿戴设备供电可以证明是非常具挑战性的，不过凌力尔特提供了一系列性能非常高、功率非常低的尖端产品。例如有超低静态电流 LTC3388 能量收集降压型稳压器等器件、以及面向毫微功耗的 LTC3331 能量收集降压型稳压器和集成了库伦计数器的 LTC3335 降压-升压型稳压器，这可以极大地简化并提高智能可穿戴设备的性能。