背景
從谷歌眼鏡 (Google Glass) 到先進的健身活動追蹤器、頭戴式成像顯示器，再到血壓監測儀，可穿戴式設備已經進入了軍事、工業和高端消費電子產品市場。此類設備正在迅速地改進并且變得更加“聰明”。我們可以把“可穿戴式產品”定義為一種用戶長時間穿著并因此而在某種程度上改善用戶體驗的產品。智能型可穿戴式產品則給設備增添了連接和實施獨立處理的能力。據估計，可穿戴式設備市場的規模到 2018 年將增長到 1.3 億部 (資料來源：PwC，2014 年 10 月)。可穿戴式設備分為 5 個應用子類別：健身 / 健康 (活動監測儀、健身腕帶、計步器和心率監測儀)、保健 / 醫療 (脈搏血氧計、助聽器和血壓監測儀)、信息娛樂 (智能眼鏡 / 護目鏡、智能手表和成像裝置)、軍事 (頭戴式顯示器、外骨骼和智能服裝) 和工業 (體佩式終端) [資料來源：IHS Electronics and Media，2013 年]。推動這些類別之普及率逐步提高的市場因素各不相同。在健康和醫療區段中，其包括：預期壽命不斷延長、渴望延長健康的生活并減少住院時間。對于軍事領域，其為改善態勢感知、行軍地圖 / 路線、作戰效能和挽救生命的期盼。對于工業范疇，主要的推動因素是改善生產線效率和追蹤能力。最后，對于信息娛樂區段，這種推動力為尖端成像和虛擬現實技術導致的爆炸性游戲市場增長，以及越來越多能夠與智能手機實現無線連接以成為“物聯網”(IoT) 之一部分的設備。
智能型可穿戴式設備的架構及存在的問題
那么，智能型可穿戴式設備的“內部結構”是怎么樣的呢? 把它想象成一種微型嵌入式系統。確切的分區顯然將取決于設備本身。不過一般來說，智能型可穿戴式設備的核心架構是下列部分的組合：一個微處理器或微控制器或類似的 IC、某種類型的微機電傳感器 (MEMS)、小型機械執行器、全球定位系統 (GPS) IC、藍牙 / 蜂窩連接、成像電子線路、LED、計算資源、電池或電池組、以及支持電子線路。
可穿戴式裝置的首要目標是擁有緊湊外形和低重量以實現可穿著性 / 舒適性，并提供超低的能耗以延長電池運行時間。可穿戴式設備無疑是“低發熱量”(cool) 產品，不過，在以極小的吸收電流給電池充電的同時為其進行高效和準確的供電則完全是另一回事。與采用 IC 為智能型可穿戴式設備供電有關的一些主要問題如下：
l在電池供電型設備中，IC 的低電流消耗對于延長設備的運行時間是至關重要。理想的選擇是微功率、甚至毫微功率轉換。
l有些可穿戴式設備架構采用的是多電池方案，例如：兩節鋰 (8.4V) 電池，而不是單節鋰電池 (4.2V)。這增加了電池容量并提供了更長的系統運行時間。然而，這需要使用一個較高電壓的 IC。
lMEMS 傳感器需要從安靜的穩壓電源供電。處于工作狀態的執行器也可能受益。LDO 因其具有低輸出紋波而非常適用于此類電源軌。
l藍牙 / RF 連接系統電源軌也要求低噪聲。低壓差穩壓器或者 (由于輸出電流可能很高) LDO 后置開關穩壓器是一種不錯的選擇。
l處理器電源 (可穿戴式設備的“大腦”)。例如，TI OMAP、ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片或 FPGA 具有多種低電壓軌，其范圍從低電平至高電流。它們可以由 LDO 或開關穩壓器來供電。
l電池需要看護和饋電，以避免因過度充電而導致電池循環壽命縮短。采用內置充電終止算法的準確電池充電器可確保較長的電池壽命。
l緊湊的尺寸和低重量使得用戶在使用可穿戴式設備時感覺更加舒服。緊湊封裝中的 IC 可幫助實現小巧的解決方案占板面積，從而使設備擁有小外形。
l功能豐富的可穿戴式產品意味著需要很多的系統電源軌。多輸出穩壓器或電源管理集成電路 (PMIC) 可以很好地滿足這種要求。最后，內置電池充電器的緊湊型 IC 可提供較高的集成度和靈活性。
具超低靜態電流的 IC 解決方案
很明顯，可滿足應用需求并解決已討論之相關問題的 IC 解決方案應具備以下諸多特性：
l在工作模式和停機模式中均提供超低靜態電流
l寬輸入電壓范圍以適應多種電源
l能夠有效地為多個系統電壓軌供電
l準確的電池充電電壓以防止發生過度充電
l能夠為常見的電池化學組成 (例如：鋰) 充電
l利用內置充電終止算法實現簡單和自主型充電操作 (無需微控制器)
l占板面積小巧的扁平解決方案
l可提供先進封裝以改善熱性能和空間效率
幸運的是，凌力爾特近期推出的超低 Iq LTC3388/-x 降壓型穩壓器系列及其 LTC3553 組合式降壓穩壓器和單節鋰電池充電器 PMIC 已經擁有了大多數上述特性。
LTC3388 是一款超低靜態電流同步降壓型轉換器，該器件可從 2.7V 至 20V 輸入電源提供高達 50mA 的連續輸出電流。LTC3388 的無負載工作電流僅為 720nA，因而使其非常適合于眾多的電池供電型和低靜態功率應用，包括 “保持運作” 電源和可穿戴式產品。LTC3388 運用遲滯同步整流以在寬負載電流范圍內優化效率。它可為 15μA 至 50mA 的負載提供超過 90% 的效率，且在穩定狀態時僅需 720nA 無負載靜態電流，從而延長了電池壽命。3mm x 3mm DFN 封裝 (或MSOP-10) 只要與 5 個外部組件相結合就能為多種低功率應用提供一個非常簡單和占板面積緊湊的解決方案。圖 1 示出了典型的 LTC3388 應用電路。
圖 1：LTC3388-1/-3 典型應用電路
為了實現更高的集成度 —— 采用 PMIC
LTC3553 是一款微功率多功能 PMIC 解決方案，其適用于基于鋰離子 / 鋰聚合物電池的便攜式應用。LTC3553 在緊湊型 3mm x 3mm QFN 封裝中集成了一個 USB 兼容的線性電源通路 (PowerPath™) 控制管理器、一個獨立的電池充電器、一個 200mA 高效率同步降壓型穩壓器、一個 150mA 低壓差 LDO 和按鈕控制器，其典型應用電路請參閱圖 2。對于那些在備用模式中以低電流運作的應用，該 IC 的引腳可選備用模式把電池漏電流降至僅 12μA 左右，同時保持所有輸出處于穩定狀態，詳見圖 3 所示的曲線圖。LTC3553 非常適用于個人導航設備 (PND)、媒體播放器、便攜式醫療和工業設備、以及其他采用小容量電池并具低功耗的小電池供電型便攜式設備應用。
圖 2：LTC3553 簡化應用原理圖
圖 3：LTC3553 電池漏電流運作
結論
目前，智能型可穿戴式設備市場呈爆炸性增長態勢，其包括了多種面向健康和健身、醫療、信息娛樂、軍事和工業應用領域的產品。智能型可穿戴式設備的核心架構雖然取決于產品類型，但是基本上可歸結為一個微控制器、MEMS 傳感器、無線連接、電池和支持電子線路。可以證明，為低電流可穿戴式設備供電是非常具有挑戰性。不過，凌力爾特提供了一個規模龐大的領先產品庫，它們能夠在此類低功率級別上實現非常高的性能。超低 Iq LTC3388 能量收集降壓型穩壓器以及旨在實現更高集成度的 LTC3553 鋰電池充電器和降壓穩壓器 / LDO 組合式 PMIC 等器件能夠改善許多未來可穿戴式設備的工作壽命和總體性能。 |
