提高能源效率的瘦身健康设备

本文介绍了设计可穿戴设备的一些独特挑战，以及如何优化电源效率以减小尺寸。它涵盖了工作电压的重要性以及如何选择合适的稳压器。它还解释了电池电量计量的重要性，并以摘要结束，描述了针对这些超便携/可穿戴应用优化的高度集成设备的示例。

介绍

随着人们转向电子产品进行娱乐，身体活动可能会减少并导致健康问题。虽然技术可能是肥胖的原因之一，但技术也可以用来解决这个问题。今天，有电子计步器和健身追踪器通过报告活动水平来鼓励更多的身体活动，并且有数据证明这种方法的有效性。

“可穿戴”健身追踪器的选项数量持续增长，并且它们继续增加简单的计步功能，以帮助促进身体活动。然而，为了使这些设备中的任何一个有效，需要使用它们。对于人们使用它们，它们需要不显眼且维护成本低;如此渺小，如此轻盈，以至于你忘记了它们的存在;并提供每次充电的较长时间，以尽量减少充电的麻烦。电池可用的能量与电池的大小有关，因此很难在不使设备更大更重的情况下延长充电之间的时间。由于电池通常是可穿戴设备中最大的组件之一，因此在设计中需要在功率预算和尺寸之间取得微妙的平衡。

本文将讨论如何在不影响性能的情况下减小可穿戴设备的尺寸和重量。实现这些目标可以提高这些设备的利用率，并对社区的整体健康产生积极影响。

设计挑战

为了减小这些可穿戴设备的尺寸和重量，需要最大限度地减少电池消耗的能量，以便可以使用更小的电池。在某些方面，可穿戴设备与任何其他电池供电的应用一样，但规模要小得多，需要不同级别的优化。

可穿戴设备必须快速管理功耗更高的任务，并尽可能多地处于空闲待机状态（图 1）。但这里可用的电流明显小于典型的移动应用程序。为了从50mAhr电池获得一周的运行时间，平均电流需要小于300μA。 将25%的功率预算分配给待机时小于75μA。具有静态电流（IQ） 的电流为 30μA 将消耗该预算的近一半，从而产生低 I。Q线性稳压器似乎是更好的选择。虽然待机功耗为数十微安，但系统中通常存在可能需要数十毫安的高峰值电流外设，例如显示器或无线电。如果没有降压稳压器的效率，将难以满足通信功率预算。因此，在大动态负载范围内优化功耗需要权衡取舍，并仔细注意详细的功率规格。

图1.简单说明可穿戴监视器设备在三种不同模式下预期运行的时间。

降低电压

无论是处于活动状态还是待机状态，可穿戴设备中的组件都需要电源才能运行。为了减少电池的负载，我们必须最大限度地减少功耗。请记住，功率是电压乘以电流的乘积，而电流通常与电压成正比。所以功率往往与电压的平方有关。当绘制电阻的电流和功耗与施加的电压时，电流和功率之间的巨大差异很容易看到，如图2所示。

图2.500Ω电阻的电流和功率与电压的关系

虽然有源器件不是纯阻性负载，但电容器充电和放电所需的电流也取决于施加的电压。许多有源器件的功率会随着所施加电压的平方而变化。通过将 KC5032 振荡器等简单有源器件的电流和功耗与电阻器的电流和功耗进行比较，可以看出这方面的一个例子（图 3）。这种电压平方关系部分解释了为什么每瓦计算能力在电压适度降低的情况下发展如此之快。这也解释了为什么增加线性稳压器可以降低功耗，即使转换效率低下，输入电流基本等于输出电流。

许多设备出于节能和其他原因在内部调节电压。内部调节通常是线性的，因此它将最大限度地减少电流变化。尽管如此，总功耗仍与输入电压呈线性关系。通常，为了最大限度地降低系统中大多数功能的功耗，通常有助于从可用的最低电压组件中进行选择，并在输入电压范围的低端运行它们。

图3.振荡器和电阻之间的电流和功耗比较。

选择合适的调压阀

虽然选择合适的工作电压很重要，但选择合适的稳压器来产生该电压也同样重要。如前所述，器件内部的线性稳压器可以通过允许内部电路消耗更少的电流来降低功耗。然而，线性调节并不能充分利用电压降低的优势。由于通过稳压器的电流减小，功率降低，但消耗的功率仍然是输入电压乘以电流。所需的功率只是输出电压乘以电流;其余功率（电流乘以输入和输出电压之差）由线性调节消耗。

需要一个开关稳压器来充分利用降低的电压。一个通用的开关稳压器可以轻松消耗整个待机功率预算。由于这些设备在待机状态下花费了如此高的百分比，因此过去有必要牺牲主动效率并使用低I。Q线性稳压器。幸运的是，目前有低于1μA I的降压稳压器Q这使得活动与备用效率权衡变得不必要。

移动到这些低I之一的电池电流降低Q监管机构可能相当戏剧化。如果组件可以从1.8V运行，并且电源是平均电压为3.7V的可充电锂聚合物电池，那么电池电流可以减少近一半。但降压稳压器并不总是最佳解决方案，特别是当输出电压>输入电压的80%时。降压稳压器的效率通常约为90%。当从3.7V稳压到3.2V时，即使是线性稳压器也能达到85%的效率，但线性稳压器不需要电感器。如图4所示，效率与输出电流的关系图显示，对于小于1mA的负载，1μA降压稳压器在调节至8.1V时具有明显的优势。但请注意，调节至3.2V时几乎没有区别。由于这些器件待机时间很长，因此 1μA 降压稳压器是 1.8V 输出的最佳选择。尽管如此，线性稳压器的电路板空间减小，使其成为3.2V输出的更好选择。请记住，并非所有开关转换器都是平等的。仔细检查转换器在特定操作条件下的行为。

虽然许多微控制器都包含集成稳压器，但内部稳压器并不总是实现最低功耗的最佳选择。审查内部监管机构的细节与审查外部监管机构同样重要。当内核电压降至1.8V以下时，从线性稳压器转向开关稳压器可将内核功耗降低一半以上。这正是许多微控制器提供禁用内部稳压器的能力的原因。假设所包含的稳压器是最佳的是不安全的，并且如果屈服于简单地使用微控制器提供的内核调节的诱惑，可能会造成严重的功耗损失。

图4.不同输出电压下稳压器的效率比较。

了解您的电池

最糟糕的用户体验之一是设备意外停止。一位拿着计步器的跑步者感叹道：“但电池条仍然很好看？当电池指示灯显示仍有可用电量时，没有人希望设备关闭。因此，指标的准确性至关重要。电池充电状态 （SOC） 状态的任何不确定性都必须从报告给用户的可用电量中减去。为了保证充电之间的最短时间，电池必须“过大”，以允许测量不准确。

鉴于电池在系统设计中的重要性，您选择如何测量电池的状态将直接影响尺寸、成本和整体用户体验。由于可穿戴设备中常见的微小电流，库仑计数根本不实用。检测电压非常小，以至于微功率放大器不够用，所需的测量频率消耗了太多的功率。电压监测技术是唯一可行的解决方案。

可充电锂电池很难仅通过电压进行监控。简单地用ADC读取电池电压并不能告诉你电池的SOC（见图5），但幸运的是，有专门设计的电量计来满足这些应用的要求。美信集成的专有产品。模型仪表™算法为报告电池容量提供了最佳准确性。大多数人都会同意，当您试图保持薄型或延长充电间隔时间时，准确的电池 SOC 测量可能是无价的。

图5.即时电池电压不是 SOC。

将一切整合在一起

设计微型可穿戴设备的挑战需要与典型的移动应用程序不同的优化。以前被认为不重要的噪声的组件和规格现在是满足性能要求的关键因素。不仅每个功能都需要针对新的功率约束进行优化，而且必须在尽可能小的空间内实现。这些器件几乎没有空间容纳胶合逻辑甚至无源元件，因此集成至关重要。

幸运的是，有针对这些可穿戴应用优化的集成设备。单芯片可穿戴充电管理解决方案将电源调节、电池管理和监控功能集成在微型WLP封装中，如图6所示。为了实现具有最佳调节的较低电压，该器件包括一个 I小于 1μA 的 8.1V 降压稳压器Q和低 IQ3.2V 线性电阻。为了进行精确的电池监控，它采用了ModelGauge技术。它还集成了这些可穿戴应用中常见的其他功能：显示/背光电源、电源开/关等监控功能以及排序控制。可穿戴充电管理解决方案等产品正在帮助公司更好地利用电池并减轻健身追踪器的重量。现在，他们可以提供人们可能实际使用的最佳动力、更小、更轻、不那么突兀的可穿戴设备。

图6.MAX14676是一种可穿戴充电管理方案，集成了降压稳压器、用于精确SOC的ModelGauge技术以及可穿戴健身设备的所有功能。

审核编辑：郭婷