醫(yī)療可穿戴設(shè)備的電源轉(zhuǎn)換

解決方案

智能可穿戴設(shè)備市場近年來已出現(xiàn)爆炸性增長，涌現(xiàn)了面向保健與健身、醫(yī)療、信息娛樂、軍事和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的多種產(chǎn)品，其中包括使用傳感器的醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備在內(nèi)的新一波產(chǎn)品，為采用更加積極、健康的生活方式創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。本文將為您介紹智能可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)需求，以及由ADI所推出可應(yīng)用于低功率無線設(shè)備的電源轉(zhuǎn)換解決方案。

可穿戴設(shè)備需求超低能耗

以延長電池壽命

支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的無線傳感器的種類與數(shù)量正在快速激增，這增大了對面向較低功率無線設(shè)備而定制的小型、緊湊和高效率電源轉(zhuǎn)換器的需求。最近物聯(lián)網(wǎng)市場中新出現(xiàn)的細(xì)分市場之一是可穿戴電子產(chǎn)品市場，其中一個(gè)顯而易見的應(yīng)用是健康監(jiān)測，不管是針對醫(yī)院的病患或是十分重視健康的個(gè)人，通過醫(yī)療可穿戴設(shè)備來記錄生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，此類信息包括體溫、脈搏／心率、呼吸速率和血壓等，用于衡量人體基本機(jī)能的生命體征數(shù)據(jù)。

這些生命體征數(shù)據(jù)至關(guān)重要，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)中如果出現(xiàn)不良的變化，或許表示健康狀況下降，反之亦然。以往為了測量這些生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，必須采用醫(yī)院和醫(yī)生診室中的各種設(shè)備。不過，若能夠隨身、及時(shí)、高效地測量此類生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，便可以按照實(shí)時(shí)生命體征數(shù)據(jù)，隨時(shí)地調(diào)整生活和行為方式，從而改善健康水平，并有可能延長壽命甚至挽救生命。

智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)取決于產(chǎn)品類型，典型的智能可穿戴設(shè)備是一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)，準(zhǔn)確地劃分其組成顯然取決于設(shè)備本身。不過一般來說，智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)，通常包括一個(gè)微處理器或微控制器或類似的IC，以及微機(jī)電傳感器（MEMS）、小型機(jī)械執(zhí)行器、全球定位系統(tǒng)（GPS）IC，還有藍(lán)牙/蜂窩/Wi-Fi連接以收集／處理和同步數(shù)據(jù)，以及成像電子組件、LED、計(jì)算資源、可再充電電池或主（不可再充電）電池或電池組、支持性電子組件所組成。因此，可穿戴設(shè)備的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是緊湊的外形尺寸、重量很輕以實(shí)現(xiàn)可穿戴性和舒適性，并擁有超低能耗以延長電池運(yùn)行時(shí)間／壽命。

能量收集系統(tǒng)延長可穿戴設(shè)備的

使用時(shí)間

為了延長可穿戴設(shè)備的使用時(shí)間，除了使用主電池的電源之外，若能輔以能量收集（Energy Harvesting）系統(tǒng)，將能夠大幅延長可穿戴設(shè)備的使用時(shí)間。目前市面上已經(jīng)有許多現(xiàn)成有售的能量收集技術(shù)，例如：振動(dòng)能量收集產(chǎn)品以及室內(nèi)或可穿戴光伏電池，在典型工作條件下將可產(chǎn)生mW量級的功率。盡管這個(gè)量級的功率或許看似有限，但從所提供的能量還是從單位能量的成本上看，能量收集產(chǎn)品與長壽命主電池都大致相當(dāng)。

雖然一些主電池聲稱能夠提供長達(dá)10年的壽命，但這在極大的程度上取決于從其取出的功率級別以及抽取功率的頻度。擁有能量收集能力的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡后再充電，而僅由主電池供電的系統(tǒng)卻做不到這一點(diǎn)。不過，大多數(shù)實(shí)施方案都將用某種環(huán)境能量源作為主電源，而用主電池作為環(huán)境能源的補(bǔ)充，如果環(huán)境能量源消失或中斷，就可以接入主電池。這可被認(rèn)為是一種“電池壽命延長器”能力，可為系統(tǒng)提供很長的工作壽命，這接近于電池的工作壽命，對于鋰亞硫酰氯化學(xué)組成來說通常約為12年。

當(dāng)然，能量收集電源所提供的能量取決于該電源能工作多長時(shí)間。因此，能量收集電源的主要比較指標(biāo)是功率密度，而不是能量密度。能量收集的可用功率一般很低、可變和不可預(yù)測，所以常常使用連接至收集器和輔助電源的混合結(jié)構(gòu)。輔助電源可能是一塊可再充電電池或者一個(gè)存儲(chǔ)電容器，收集器由于能量供應(yīng)無限而成為系統(tǒng)的能量源。輔助電力儲(chǔ)存庫（或是電池或是電容器）產(chǎn)生較大的輸出功率，但存儲(chǔ)較少的能量，在需要時(shí)供電，而在其他情況下則定期從能量收集器接收電荷。

在這些可穿戴設(shè)備中常見的能量收集系統(tǒng)，必須使用能夠處理非常低功率、非常小電流的電源轉(zhuǎn)換IC，功率和電流可能分別為數(shù)十微瓦和數(shù)十納安。ADI推出了多款電源轉(zhuǎn)換IC，這些IC擁有實(shí)現(xiàn)此類可在可穿戴設(shè)備中使用的低收集功率所必需之特色和性能。

高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器延長電池壽命

LTC3107是一款高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其設(shè)計(jì)用于通過收集和管理來自極低輸入電壓電源（例如：熱電發(fā)生器[TEG]和熱電堆）的多余能量，以延長低功率無線系統(tǒng)中主電池的壽命，升壓型拓?fù)淇刹捎玫椭?0mV的輸入電壓運(yùn)作。

LTC3107采用一個(gè)小型升壓變壓器，其提供了一款完整的電源管理解決方案，適合于那些依靠一個(gè)主電池工作的典型無線傳感器應(yīng)用。2.2V LDO可用于為一個(gè)外部微處理器供電，而主輸出電壓則可自動(dòng)調(diào)整以與主電池的電壓相匹配。在有收集能量可用的情況下，LTC3107可從電池電源無縫切換至收集能量電源，因而延長了電池的使用壽命。BAT_OFF指示器可用于跟蹤電池的使用情況。一個(gè)任選的存儲(chǔ)電容器負(fù)責(zé)累積多余的收集能量，從而進(jìn)一步延長電池壽命。

當(dāng)采用LTC3107時(shí)，一個(gè)負(fù)載點(diǎn)能量收集器所需的空間極小，只要足以容納LTC3107的3mm x 3mm DFN封裝和少量的外部組件即可。通過產(chǎn)生一個(gè)跟蹤現(xiàn)有主電池電壓的輸出電壓，可無縫地采用LTC3107以把免費(fèi)熱能收集的成本節(jié)約帶到新的和現(xiàn)有的電池供電型設(shè)計(jì)中。此外，LTC3107還能與一個(gè)小的熱能量源一起延長電池壽命（在有些場合中可延長達(dá)電池的保質(zhì)期），從而降低了由更換電池所引起的經(jīng)常性維護(hù)成本。LTC3107專為給電池提供補(bǔ)充甚至完全為負(fù)載供電而設(shè)計(jì)，這取決于負(fù)載情況和可用的收集能量。

高電壓能量收集電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器

ADI另一個(gè)產(chǎn)品實(shí)例是LTC3331，其集成了一個(gè)高電壓能量收集電源和一個(gè)由可再充電電池供電的降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，可創(chuàng)建一款面向可替代能源應(yīng)用的單輸出電源。一個(gè)10mA分流器允許利用收集能量進(jìn)行電池的簡單充電，而一種低電池電量斷接功能則用于避免電池發(fā)生深度放電。

LTC3331由一個(gè)集成型全波橋式整流器和一個(gè)高電壓降壓DC/DC組成的能量收集電源負(fù)責(zé)從壓電源、太陽能或磁源收集能量。任一DC/DC轉(zhuǎn)換器皆能給單個(gè)輸出提供電能。降壓轉(zhuǎn)換器可在收集能量可用的情況下運(yùn)作，因而能夠把分流充電器所需并從電池吸收的靜態(tài)電流減小至200nA，從而可延長電池的壽命。當(dāng)沒有收集能量可用時(shí)，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將只給VOUT供電。

LTC3331為一款完整的能量收集調(diào)節(jié)解決方案，當(dāng)可收集能量可用時(shí)，提供高達(dá)50mA的連續(xù)輸出電流以延長電池壽命。當(dāng)用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該器件不需要電池提供電源電流，而在無負(fù)載情況下用電池供電時(shí)，僅需要950nA的工作電流。

LTC3331集成了一個(gè)高電壓能量收集電源和一個(gè)同步降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器（該轉(zhuǎn)換器由可再充電主電池供電），以為無線傳感器節(jié)點(diǎn)、IoT設(shè)備、可穿戴設(shè)備等能量收集應(yīng)用提供一個(gè)不間斷輸出。

另外，該器件還集成了一個(gè)超級電容器平衡器，故可增加輸出存儲(chǔ)。針對輸入和輸出的電壓和電流設(shè)定值均可通過引腳搭接的邏輯輸入來設(shè)置。LTC3331采用5mm x 5mm QFN-32封裝。

高效率低靜態(tài)電流的

降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器

此外，ADI還推出LTC3335，這是一款高效率、低靜態(tài)電流（680nA）的毫微功率降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，其具有一個(gè)可在長使用期限電池供電型應(yīng)用中監(jiān)察累積電池放電量的集成型高精度庫侖計(jì)數(shù)器，其面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和通用的能量收集應(yīng)用。降壓-升壓電路能夠在其輸入端上的電壓低至1.8V的情況下運(yùn)作，并提供8種可通過引腳選擇的輸出電壓和高達(dá)50mA的輸出電流。

LTC3335集成的庫侖計(jì)數(shù)器可監(jiān)視長壽命電池供電應(yīng)用的電池累計(jì)放電量，這個(gè)計(jì)數(shù)器在一個(gè)內(nèi)部寄存器中存儲(chǔ)電池的累計(jì)放電量數(shù)字，庫侖計(jì)數(shù)器把累積電池放電量存儲(chǔ)在一個(gè)可通過I2C接口訪問的內(nèi)部寄存器中。LTC3335具有一個(gè)可編程放電報(bào)警門限，當(dāng)達(dá)到該門限時(shí)，將在IRQ引腳上產(chǎn)生一個(gè)中斷。

為了適應(yīng)各種各樣的電池類型和尺寸，LTC3335的峰值輸入電流可在低至5mA到高達(dá)250mA的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，而且全標(biāo)度庫侖計(jì)數(shù)器具有一個(gè)32,768:1的可編程范圍。LTC3335采用3mm x 4mm QFN-20封裝。

結(jié)語

智能可穿戴設(shè)備大多采用電池運(yùn)作，盡可能追求最長的電池使用時(shí)間與壽命，若能結(jié)合能量收集技術(shù)，更可大幅延長可穿戴設(shè)備的運(yùn)作時(shí)間。因此，低功率轉(zhuǎn)換解決方案將是可穿戴設(shè)備的一個(gè)主要的推動(dòng)因素，但是給小電流可穿戴設(shè)備供電將是非常具挑戰(zhàn)性的。ADI提供了一系列領(lǐng)先的產(chǎn)品，它們能夠在低功率級別上實(shí)現(xiàn)非常高的性能，將是您開發(fā)可穿戴設(shè)備的理想選擇。

審核編輯：湯梓紅