凯利讯半导体

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采用超低功耗IC的能量采集技术满足可穿戴电源的功率需求

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       可穿戴材料对系统设计者提出了新的要求,同时与较传统的无线传感器节点共享低功耗和高功能的关键要求。通过收集周围的能量,如身体的热量和运动,工程师可以创建可穿戴系统,能够长时间运行,很少或不需要充电内部电池。对于工程师来说,创建高效的可穿戴设计依赖于能量收集技术和功率效率的MCU、无线电和能量存储设备的组合,这些制造商包括激励器、线性技术、马克西姆集成、松下、瑞萨、精工仪器、STMicroel。ECTRONIC、台哟宇扥和德克萨斯仪器等。

  可穿戴材料为有效电子系统的设计带来了新的挑战。用户希望功能丰富的可穿戴产品,似乎比科技齿轮更时尚配件。因此,在功能主导的传统设计,形式和适合出现作为磨损的关键属性。同时,设计者必须在增强的性能和更低的功耗之间实现关键的平衡,因为用户期望最佳性能和功能,以及在没有频繁地移除电池的情况下延长操作时间的操作。

  能量收集可以在提供足够的功率用于延长操作,几乎没有或没有电池更换中发挥关键作用。在可穿戴的情况下,用户自身的身体热、运动或接近RF发射器可以作为重要的能量源。高效的能量收集技术可以从体热、动能源或附近的RF源提取几十微瓦。

  即使有来自环境源的持续的涓涓细流,所获取的能量也不足以满足有功功率的要求。在可穿戴设计的核心,典型的基于MCU的无线传感器系统在非常低功率的睡眠状态和相对高功率的活动状态之间交替,用于传感器数据采集、处理和最终传输到接收器(图1)。

  硅实验室的非常低功率睡眠状态和高功率激活态的图像


  图1:环境源可能提供足够的能量来满足无线传感器设计中的有功功率要求,例如可佩戴的,需要使用二次电池或其他能量存储装置。


  功率有效MCU

  专门设计用于低功耗应用的MCU在主动运行模式中消耗很少的功率,并且只需要在睡眠状态下的功率涓涓细流。例如,超低功耗16位MCU,如瑞萨RL78/G131.6V MCU系列,在运行模式下消耗66μA/MHz,在停止模式下消耗0.23μA。对于需要32位性能的应用,工程师可以基于能量优化的32位内核,如ARM CORTEX-M0+,找到广泛的超低功耗MCU。例如,St微电子公司的ARM CORTEX-M0+的STM32 L0 MCU在运行模式下仅需要87μA/MHz,而在超低功耗模式下仅需要250μA。

  在传统的无线应用中,无线电收发机在交换长期、频繁的消息时,可以消耗系统的功率预算的不成比例的大份额。相比之下,无线传感器应用通常产生少量的传感器数据,并且这样做的频率较低。较短的活动状态和较长的睡眠时间的组合转化为相对低的总功率要求。在功率效率高的无线电设备中,如德克萨斯仪器CCF2500,这些类型的短小、不常见的通信突发导致相对适度的电流消耗(图2中)。

  德克萨斯仪器图像对穿戴式无线通信的电源要求


  图2:通过使用短时低频数据突发和使用低功率收发器(如德克萨斯仪器cc2500),可穿戴件中的无线通信的功率需求被最小化。


  储能

  即使使用超低功率MCU和收发器,补充电源也可能是必要的,以确保在环境源完全减弱或完全去除时继续操作。在这里,设计者可以找到各种各样的电池和其他能量存储装置,以弥补能源获取中间歇性的电力短缺。

  空间约束很可能成为可穿戴应用中的电池选择的主导因素,驱动选择朝向更小的硬币电池。小型的(不可再充电)硬币电池,如松下BSG CR-1025/BN或激励器AZ10DP8,提供了相对高的容量,以确保跨操作状态的操作。这类电池可以在相对高的放电速率下维持标称电压水平延长的时间(图3)。与传感器应用相关联的低放电率和占空比将起到进一步延长电池寿命的作用。

  松下CR-1025/BN电压电平的图像


  图3:对于尺寸不太敏感的设计,标准初级硬币电池,如松下CR-1025/BN,在宽的放电电流率范围内提供高容量。

  CR-1025是一种直径为10毫米、高度为2.5毫米的锂/二氧化锰(LI/MnO2)一次电池,其额定输出功率为30 mAh,连续输出的标准负荷为100μA。通常用于助听器中,AZ10DP- 8是锌空气(Zn/O2)一次电池,在3.6毫米(高度)封装中以5.8毫米(直径)在1.4 V处提供91马赫。

  二次(可再充电)电池在能量收集设计中的使用消除了对电池更换的需要;然而,二次硬币电池通常提供比相同尺寸的一次电池更低的容量。例如,精工仪器MS518SE提供3.4 mAh和最大放电电流150μA,测量5.8毫米(直径)1.8毫米(高度),MS518SE是使用硅氧化物阳极和锂锰复合氧化物阴极的锂可再充电电池,提供长循环寿命。稳定的特性。

  随着锂和锂复合电池,薄膜存储设备和超级电容器提供了一种紧凑的储能装置。在物理上最小的选项中,超级电容器,如太阳YUDEN PAS32 25P3R31 13提供了一种有效的解决方案,特别是对于需要利用超级电容器的快速放电特性以提供快速爆发功率的设计。在3.20毫米×2.50毫米和1毫米高度,PAS32 25P3R31 13 0.011F超级电容器可以在3.3 V下提供3.2μAh,最大放电电流为10μA。

  在使用可再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受过充电和过放电。不能保持电压和电流的紧密窗口可以降低有效容量甚至损坏器件。虽然工程师可以找到广泛的电池管理设备,专门为能量收集而专门创建的IC通常提供更完整的解决方案。

  诸如线性技术LTC33 31、MAXIM集成的MIC17710GB和德克萨斯仪器BQ25504等专用集成电路将电池充电管理能力与完整的能量收集子系统结合在一起,全部集成在单个设备上。例如,德克萨斯仪器BQ25504集成了一种升压转换器/充电器,能够在操作中从低能量源中提取低至80 mV的能量。

  BQ25504上的芯片上电池管理电路和该类中的其他设备允许工程师编程欠压和过电压保护电平,并且通常设置阈值以使“电源良好”输出信号用于通知负载电路已达到使用电压。能级。作为这些设备提供的高集成度的结果,工程师通常只需要添加一些外部组件来实现其设计中的能量收集和电池管理功能(图4)。

  德克萨斯仪器仪表BQ25504简图


  图4:专用设备,如德克萨斯仪器BQ25504,集成电路用于有效的能量提取和复杂的电池管理能力-只需要几个外部组件,以提供一个完整的解决方案,用于能量收集。


  结论

  可穿戴物需要仔细考虑基础电子系统的功率、功能和尺寸,以满足消费者在这个新兴产品领域的期望。通过使用与超低功率集成电路结合的能量收集技术,工程师可以实现可穿戴系统电子器件,其能够延长电池在这些设计中的寿命,甚至完全消除对可更换电池的需要。