使用能量收集技术和节能MCU实现可穿戴设备的系统设计

可穿戴设备为系统设计人员带来了新的要求，同时共享与更传统的无线传感器节点相关的低功耗和高功能的关键要求。通过收集环境能量，例如体热和运动，工程师可以创建能够长时间运行的可穿戴系统，几乎不需要为内部电池充电。对于工程师而言，创建高能效可穿戴设计依赖于能量收集技术和节能MCU，无线电和能量存储设备的组合，包括Energizer，Linear Technology，Maxim Integrated，Panasonic，Renesas，Seiko Instruments，STMicroelectronics ，Taiyo Yuden和德州仪器等。

可穿戴设备为有效电子系统的设计带来了新的挑战。用户期望功能丰富的可穿戴设备看起来比科技设备更时尚。因此，在功能主导传统设计的地方，形式和适合性成为可穿戴设备的关键属性。同时，设计人员必须在增强性能和低功耗之间实现关键平衡，因为用户期望获得最佳性能和功能以及长时间运行而无需频繁拆卸以对电池充电。

能量收集可以发挥关键作用在很少或没有更换电池的情况下为延长操作提供足够电力的作用。在可穿戴设备中，用户自身的体温，运动或接近RF发射器可以作为重要的能源。高效的能量收集技术可以从体热，动能源或附近的射频源中提取数十微瓦。

即使来自环境源的持续涓流能量，收获的能量也可能不足以满足有功功率要求。作为可穿戴设计的核心，典型的基于MCU的无线传感器系统在非常低功耗的睡眠状态和相对高功率的活动状态之间交替进行传感器数据采集，处理和最终传输到接收器（图1）。

图1：环境源可能提供的能量不足以满足无线传感器设计中的有功功率要求，例如可穿戴设备，需要使用二次电池或其他能量存储设备。 （由Silicon Labs提供）

高能效MCU

专为低功耗应用而设计的MCU在主动运行模式下功耗很小，在睡眠状态下只需要很小的功率。例如，超低功耗16位MCU（例如瑞萨RL78/G13 1.6V MCU系列）在运行模式下的功耗仅为66μA/MHz，在停止模式下的功耗仅为0.23μA。对于需要32位性能的应用，工程师可以找到基于能量优化的32位内核的各种超低功耗MCU，例如ARM Cortex-M0 +。例如，意法半导体的基于ARM Cortex-M0 +的STM32 L0 MCU在运行模式下仅需要87μA/MHz，在超低功耗模式下仅需250 nA。

在传统的无线应用中，无线电收发器可以消耗不成比例的大部分系统在交换长而频繁的消息时的功率预算。相比之下，无线传感器应用通常会生成少量传感器数据，而且频率较低。较短的活动状态和较长的睡眠周期的组合转换成相对较低的总功率要求。在节能型无线电设备中，例如德州仪器CC2500，这些类型的短暂，不频繁的通信突发导致相对适度的电流消耗（图2）。

图2：电源要求可穿戴设备中的无线通信通过使用短的低频数据突发和使用低功率收发器（例如Texas Instruments CC2500）来最小化。 （由Texas Instruments提供）

储能

即使使用超低功耗MCU和收发器，如果环境源减弱或完全移除，也可能需要补充电源以确保持续运行。在这里，设计人员可以找到各种各样的电池和其他能量存储设备，能够弥补能量收集中可用的间歇性缺陷。

对于可穿戴应用的电池选择，空间限制很可能成为主导因素，推动选择更小的纽扣电池。小型主（非可充电）纽扣电池，如Panasonic BSG CR-1025/BN或Energizer AZ10DP-8，可提供相对较高的容量，以确保在各种运行状态下运行。这类电池可以在相对较高的放电速率下长时间保持标称电压水平（图3）。与传感器应用相关的低放电率和占空比将进一步延长电池寿命

图3：对于尺寸限制不太敏感的设计，标准的主要币形电池，如Panasonic CR-1025/BN，可在各种放电电流下提供高容量。 （由Panasonic提供）

CR-1025的直径为10毫米，高度为2.5毫米，是一种锂/二氧化锰（Li/MnO2）原电池，在3V标称输出和100μA时容量约为30 mAh连续标准负载。 AZ10DP-8通常用于助听器，是一种锌空气（Zn/O2）原电池，在5.8毫米（直径）×3.6毫米（高）包装中可在1.4 V时提供91 mAh的电流。采用能量采集设计的二次（可充电）电池无需更换电池;然而，二次纽扣电池通常比相同大小的一次电池提供更低的容量。例如，Seiko Instruments MS518SE提供3.4 mAh，最大放电电流为150μA。 MS518SE的尺寸为5.8毫米（直径）×1.8毫米（高），是一种锂可充电电池，采用氧化硅阳极和锂锰复合氧化物阴极，具有较长的循环寿命和稳定的特性。和锂复合电池，薄膜存储设备和超级电容器提供紧凑的能量存储设备。在物理尺寸最小的选项中，Taiyo Yuden PAS3225P3R3113等超级电容器提供了一种有效的解决方案，特别适用于需要利用超级电容器的快速放电特性来提供快速突发功率的设计。 PAS3225P3R3113 0.011F超级电容器的3.20 mm x 2.50 mm和1.0 mm高度可在3.3 V时提供3.2μAh的电流，最大放电电流为10μA。

在使用可充电锂离子电池或超级电容器时，工程师需要保护存储设备免于过度充电和过度放电。未能保持紧密的电压和电流窗口会降低有效容量甚至损坏设备。虽然工程师可以找到各种各样的电池管理器件，但专门为能量收集而设计的IC通常可以提供更完整的解决方案。

专业IC，如凌力尔特公司的LTC3331，Maxim Integrated MAX17710GB和德州仪器bq25504，将电池充电管理功能与一个完整的能量收集子系统 - 全部集成在一台设备上。例如，德州仪器（TI）bq25504集成了一个升压转换器/充电器，能够在运行时从低至80 mV的电源提取能量。

bq25504上的片上电池管理电路和此类设备中的其他设备允许工程师进行编程欠压和过压保护电平，通常设置阈值，以启用“电源良好”输出信号，用于通知负载电路电源电压已达到可用电平。由于这些器件具有高度集成性，工程师通常只需添加少量外部元件即可在其设计中实现能量收集和电池管理功能（图4）。

图4：专用设备，如德州仪器bq25504，集成了高效能量提取电路，具有先进的电池管理功能 - 只需少量外部组件即可为能量收集提供完整的解决方案。 （德州仪器公司提供）

结论

可穿戴设备需要仔细考虑底层电子系统的功能，功能和尺寸，以满足消费者对这一新兴产品领域的期望。通过将能量收集技术与超低功耗IC结合使用，工程师可以实现可穿戴系统电子设备，能够延长这些设计中电池的使用寿命，甚至完全不再需要可更换电池。