從智能服裝、谷歌眼鏡、先進的健身活動跟蹤器、虛擬現(xiàn)實設(shè)備、夜視設(shè)備到平視顯示器，可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為主流消費、特種和工業(yè)市場的組成部分?？纱┐髟O(shè)備可定義為用戶可以長時間穿戴的產(chǎn)品，而且由于穿戴了這種產(chǎn)品，用戶體驗以某種方式得到了提升。智能的可穿戴設(shè)備增加了連接功能和獨立的數(shù)據(jù)處理功能?？纱┐髟O(shè)備分成5種應(yīng)用子類：健身／健康（活動監(jiān)視器、健身腕帶、腳踏計和心率監(jiān)視器）；信息娛樂（智能眼鏡／防護鏡、智能手表和成像設(shè)備）；特種（夜視設(shè)備、平視顯示器、人體外骨骼和智能服裝）；工業(yè)（可穿戴終端）［信息來源：HISElectronicsandMedia，2013］。這些應(yīng)用的采用率是由不同的市場驅(qū)動力推動的。就特種應(yīng)用而言，驅(qū)動力是希望改善情境識別能力、地圖／路線、戰(zhàn)斗效率以及挽救生命。就工業(yè)應(yīng)用而言，主要的驅(qū)動力是提高生產(chǎn)線效率和追蹤能力。就信息娛樂應(yīng)用而言，驅(qū)動力來自采用尖端成像和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的持續(xù)爆炸性增長之游戲市場，以及越來越多能夠無線連接智能手機以使其成為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）組成部分的設(shè)備。最后，就健康和醫(yī)療市場而言，主要的驅(qū)動力包括：預(yù)期壽命延長、削減醫(yī)療保險費用不斷上漲、以及延長健康生活時間和減少住院。

運用生物統(tǒng)計信息實現(xiàn)健康生活

生物統(tǒng)計信息反映的是人體基本功能的生命體征。這類信息包括體溫、脈搏／心率、呼吸頻率和血壓。這些信息至關(guān)重要，因為生命體征出現(xiàn)負面變化可能表示健康度下降，反之亦然。顯然，醫(yī)院和醫(yī)生診室都配備了昂貴的設(shè)備，以測量這些生物統(tǒng)計信息。不過，如果這些生物統(tǒng)計信息能夠高效、低成本地在醫(yī)療環(huán)境以外測量，那么生活質(zhì)量就有可能得到很大的改善。例如，在家中或者在工作環(huán)境中，可以隨時隨地實時地改變生活方式和行為方式，從而改善健康度，并有可能延長甚至挽救生命。幸運的是，由于設(shè)備價格降低和傳感器技術(shù)改進，用于醫(yī)療保健目的的智能可穿戴設(shè)備出現(xiàn)了激增。這其中包括較簡單和可以附著在身體上的單體征檢測產(chǎn)品，也包括較復(fù)雜、充滿傳感器且覆蓋全身的人體外骨骼。不過，從集成電路（IC）電子組件的角度來看，給這些可穿戴設(shè)備分區(qū)并為其高效率供電并非微不足道之事。為了進一步理解這一點，我們接下來深入剖析典型的智能可穿戴設(shè)備。

典型智能可穿戴設(shè)備

典型智能可穿戴設(shè)備包括哪些功能？人們可能會把這種設(shè)備看成微型嵌入式系統(tǒng)。顯然，準(zhǔn)確分區(qū)取決于設(shè)備自身，不過，一般而言，智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)由以下各部分組成：

一個微處理器或微控制器或類似的IC

某些種類的微型機電傳感器（MEMS）

小型機械致動器

全球定位系統(tǒng)（GpS）IC

藍牙／蜂窩／Wi－Fi連接，以收集／處理和同步數(shù)據(jù)

成像電子組件，LED

計算資源

可充電或主（非可充電）電池或電池組

支持性電子組件

可穿戴產(chǎn)品的主要設(shè)計目標(biāo)通常是實現(xiàn)緊湊的外形尺寸、輕重量以實現(xiàn)可穿戴性／舒適性、以及超低的能耗以延長電池運行時間／壽命。不過，用最小的電流、高效率、準(zhǔn)確地給這類設(shè)備供電并不那么簡單。與智能可穿戴設(shè)備供電有關(guān)的一些關(guān)鍵問題如下：

1）在電池供電設(shè)備中，電源管理IC能否消耗很小的電流對延長運行時間至關(guān)重要。微功率或毫微功率轉(zhuǎn)換IC是必要的。

2）MEMS傳感器要求用噪聲很低的穩(wěn)定電源供電。繁忙的致動器也可以受益。LDO或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合這種軌，因為這些穩(wěn)壓器具很低的輸出噪聲。

3）藍牙／RF／Wi－Fi／蜂窩連接系統(tǒng)軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或（因為輸出電流可能很大）LDO后穩(wěn)壓開關(guān)穩(wěn)壓器或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器都是極好的選擇。

4）處理器（可穿戴設(shè)備的大腦）電源。從ARMCortexMCU、DSp、GpS芯片到FpGA，都需要各種低壓軌，以全方位涵蓋各種大小的電流。這些組件可以由LDO或開關(guān)穩(wěn)壓器供電。

5）不是所有可穿戴設(shè)備都由可充電電池供電，有些也許使用主（非可充電）電池，而這類電池需要在兩次更換之間提供較長的運行時間，因此，找到估計電池運行時間的方法是關(guān)鍵。

6）緊湊的尺寸和很輕的重量使可穿戴設(shè)備更舒適易用。采用緊湊型封裝的IC可構(gòu)成占板面積很小的解決方案，從而使設(shè)備既能夠具有小的外形尺寸、重量又很輕。

超低靜態(tài)電流IC解決方案

顯然，滿足可穿戴應(yīng)用需求的IC解決方案以及上面討論的相關(guān)問題應(yīng)該具備以下特性：

超低靜態(tài)電流，無論是運行模式還是停機模式

很寬的輸入電壓范圍，以適合各種電源

能夠高效率給系統(tǒng)軌（有些具＞5V的較高電壓）供電

能夠準(zhǔn)確地進行庫倫計數(shù)以確定電池運行時間，且不會顯著影響IC靜態(tài)電流（電池消耗電流）

占板面積很小、重量很輕的扁平解決方案

先進的封裝以可改善熱性能和空間利用率

幸運的是，ADI公司最近推出了一些產(chǎn)品，例如超低IQLTC3388／－x降壓型穩(wěn)壓器、毫微功率LTC3331能量收集穩(wěn)壓器以及集成了庫倫計數(shù)器的LTC3335降壓－升壓型轉(zhuǎn)換器都已經(jīng)具備了大部份這些特性。

LTC3388是一款超低靜態(tài)電流同步降壓型轉(zhuǎn)換器，在2．7V至20V輸入電源電壓范圍內(nèi)，可提供高達50mA連續(xù)輸出電流。LTC3388的無負載工作電流僅為720nA，從而使該器件非常適合多種電池供電的低靜態(tài)電流電源應(yīng)用，例如持續(xù)運作型電源和可穿戴設(shè)備。其遲滯同步整流在很寬的負載電流范圍內(nèi)優(yōu)化了效率。針對15A至50mA的負載而言，該器件還提供超過90％的效率，且在穩(wěn)定時僅需要720nA無負載靜態(tài)電流，因此延長了電池壽命。LTC3388采用3mmx3mmDFN封裝（或MSOp－10），僅需5個外部組件，因此能夠為多種低功率應(yīng)用構(gòu)成非常簡便和占板面積非常緊湊的解決方案。圖1顯示了LTC3388的典型應(yīng)用電路。

圖1：簡便的LTC3388－1典型低壓應(yīng)用電路

毫微功率靜態(tài)電流IC

LTC3335是一款毫微功率高效率同步降壓－升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置了精確的庫倫計數(shù)器，提供高達50mA連續(xù)輸出電流。該器件具僅為680nA的靜態(tài)電流，可編程峰值輸入電流從低至5mA直至250mA，非常適合多種低功率電池應(yīng)用，例如在可穿戴設(shè)備和IoT設(shè)備中見到的那些應(yīng)用。其1．8V至5．5V輸入電壓范圍和8個1．8V至5V的用戶可選輸出允許在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓時，提供穩(wěn)定的輸出電源。此外，該器件集成的精確（±5％電池放電測量準(zhǔn)確度）庫倫計數(shù)器可在長壽命不可再充電的電池供電應(yīng)用中，對累積電池放電提供準(zhǔn)確監(jiān)視，這類應(yīng)用在很多情況下具極其平坦的電池放電曲線。典型應(yīng)用包括無線傳感器、遠程監(jiān)視器和ADI的DustNetworks？SmartMesh？系統(tǒng)。LTC3335包含4個內(nèi)部低RDSONMOSFET，可提供高達90％的效率。其他特點包括一個可編程放電報警門限、一個用于存取庫倫計數(shù)值和器件設(shè)定的I2C接口、一個電源良好輸出和8個5mA至250mA的可選峰值輸入電流以適合多種類型和尺寸的電池。采用耐熱增強型20引線3mmx4mmQFN封裝的LTC3335的工作結(jié)溫范圍為－40C至＋125C。圖2顯示了LTC3335的典型應(yīng)用電路。

圖2：簡化的LTC3335應(yīng)用原理圖

LTC3331是一款完整的能量收集解決方案，提供高達50mA連續(xù)輸出電流，當(dāng)可收集能量可用時能延長電池壽命。簡便的10mA分流器用收集的能量給可充電電池充電，同時低電池電量斷接功能保護電池免于深度放電。當(dāng)用收集的能量向負載提供穩(wěn)定功率時，該器件僅需要電池提供200nA電源電流，當(dāng)在無負載情況下由電池供電時，僅需要950nA工作電流。LTC3331集成了一個高壓能量收集電源、一個電池充電器和一個同步降壓－升壓型DC／DC轉(zhuǎn)換器，可為能量收集應(yīng)用提供一個持續(xù)穩(wěn)定的輸出，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量收集應(yīng)用。能量收集電源由適合AC或DC輸入的全波橋式整流器和高效率降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電（AC）、太陽能（DC）、或磁性（AC）能源收集能量。當(dāng)沒有收集能量可用時，可充電電池輸入給降壓－升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在直至4．2V的整個電池電壓范圍內(nèi)運行，無論輸入高于、低于或等于輸出，都可調(diào)節(jié)輸出。當(dāng)收集能源不再可用時，LTC3331自動轉(zhuǎn)換至電池。LTC3331的能量收集輸入在3V至19VAC或DC電壓范圍內(nèi)運行，從而使該器件非常適合多種壓電、太陽能或磁性能源。其輸入欠壓閉鎖門限設(shè)定是可編程的，范圍為3V至18V，從而使應(yīng)用能夠在峰值功率傳送點上運行能量收集電源。其他特點包括引腳可編程輸出電壓和降壓－升壓峰值電流限制、一個超級電容器平衡器和一個輸入保護性分路器。LTC3331采用耐熱增強型5mmx5mmQFN封裝。圖3顯示了LTC3331的典型應(yīng)用電路。

圖3：LTC3331的典型應(yīng)用電路

結(jié)論

智能可穿戴設(shè)備不再僅是虛構(gòu)的電影小工具，智能可穿戴設(shè)備市場正處于爆炸性增長，這個市場涵蓋多種強調(diào)設(shè)計美觀和功能的產(chǎn)品，以及面向健康和健身、醫(yī)療、信息娛樂、特種和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品。例如，充滿傳感器的醫(yī)療保健可穿戴產(chǎn)品可在醫(yī)療設(shè)施外外監(jiān)視關(guān)鍵的生物統(tǒng)計信息，例如心率和血壓，為擁有更積極、更健康的生活方式創(chuàng)造了機會。智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)取決于產(chǎn)品類型，但本質(zhì)上都是由微控制器、MEMS傳感器、無線連接、電池和支持性電子組件組成。給小電流可穿戴設(shè)備高效率供電可以證實是非常有挑戰(zhàn)性的，不過ADI提供了一系列領(lǐng)先的、能夠以低功率提供非常高性能的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)幫助促進了可穿戴設(shè)備市場的增長。諸如超低IqLTC3388能量收集降壓型穩(wěn)壓器以及毫微功耗的LTC3331能量收集降壓型穩(wěn)壓器和集成了庫倫計數(shù)器的LTC3335降壓－升壓型穩(wěn)壓器等器件，都可以顯著地簡化和改善智能可穿戴設(shè)備的性能。

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