對于可穿戴系統(tǒng)的設(shè)計者來說，功耗是一項重大挑戰(zhàn)。隨著功能需求的增長，功耗也在增長。新工藝技術(shù)和電源管理的開發(fā)有助于降低可穿戴設(shè)計中器件的功耗，但這些是帶有小電池的空間受限設(shè)計。因此，對電源的需求似乎不斷超過電池的容量，以提供智能手表，健身追蹤器，位置監(jiān)控器和無線鑰匙所需的能量。

從環(huán)境中獲取能源是在可穿戴設(shè)計中延長電池壽命的一種方法。不必每12小時為一個小電池充電，用少量能量為電池充電，并在系統(tǒng)處于睡眠模式時給電池充電，可以提供更多電力并延長充電之間的時間。

這種能量來自許多?？纱┐髟O(shè)計的“傳統(tǒng)”能量收集技術(shù)是太陽能。手表多年來一直擁有太陽能，采用超低功率石英晶體和單色LCD顯示屏。然而，具有彩色屏幕的智能手表，無線鏈接，智能手機通知以及直接從手表撥打電話的能力需求大大增加了功率需求。目前的智能手表需求從205 mAh到420 mAh不等，后者只需一天半的操作。

正在出現(xiàn)可用于提供電力的其他技術(shù)。透明太陽能電池提供在屏幕上覆蓋的能力。其中第一個由密歇根州立大學研究所開發(fā)的普遍能源公司開發(fā)，采用透明的發(fā)光太陽能聚光器。它由吸收紫外和紅外光的特定不可見波長的有機鹽組成，然后它們作為另一種紅外波長發(fā)光。然后，在細胞邊緣的收集器拾取光。目前效率僅為1%，但研究人員希望將其提高到5%。

圖1：透明太陽能電池可用于為可穿戴設(shè)備供電設(shè)計。 (：普遍存在的能量)

壓電晶體已被用于捕捉行走的運動并將其轉(zhuǎn)換為動力，而其他正在研究的可穿戴系統(tǒng)技術(shù)則可以輕拍身體的運動。摩擦在一起的纖維可以通過襯衫材料中的導電纖維收集能量。

甚至可以從電磁波譜中清除無線電。英國的Drayson Technologies展示了一個原型系統(tǒng)，可捕獲環(huán)境中的射頻能量。在辦公室或外部環(huán)境中測量的平均RF密度范圍為20至35 nW/cm 2 ，F(xiàn)reevolt技術(shù)旨在通過新的多頻段天線設(shè)計獲得三分之一到一半的頻率密度。供電。限制是天線的尺寸，因此在衣服中輕敲導電纖維將是增加捕獲能量的一種方法。

尿液甚至可用于為燃料電池供電。布里斯托爾生物能源中心的研究人員使用微型微生物燃料電池(MFC)為一雙襪子中的無線收發(fā)器供電?？纱┐魇組FC系統(tǒng)將尿液泵入燃料電池并成功運行無線傳輸板，該板能夠每兩分鐘向PC控制的接收器模塊發(fā)送一條消息。

圖2：研究人員已開發(fā)出可將尿液轉(zhuǎn)化為能量的襪子，為無需電池的個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的無線收發(fā)器供電。 (資料：英格蘭西部大學)

他們在積累和管理產(chǎn)生的微功率以及將能量收集功率與電池能量相結(jié)合方面都面臨同樣的挑戰(zhàn)。這需要先進的電源管理算法，如凌力爾特公司的LTC3331和Maxim Integrated的MAX17710。

LTC3331集成了高壓能量收集電源和由可充電電池供電的降壓 - 升壓DC/DC，為采用5 x 5 mm QFN封裝的能量收集電源創(chuàng)建單輸出電源足夠小，可以擠進可穿戴設(shè)計。 10 mA分流器可以為電池提供簡單的充電能量，同時低電池斷開功能可以保護電池免受深度放電。

集成的全波橋式整流器和高壓降壓DC/DC可以提供能量從源和任何一個轉(zhuǎn)換器可以將能量輸送到單個輸出，為可穿戴設(shè)計的主控制器和收發(fā)器供電。當收集的能量可用時，降壓器工作，將電池的靜態(tài)電流降至分流充電器所需的200 nA。這擴展了電池的使用，因為降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器僅在收集的能量不可用時為設(shè)備供電。

圖3顯示了與能量收集源(如太陽能電池或壓電電極)接口的典型電路水晶。這顯示了當控制器和收發(fā)器處于睡眠模式時，源輸入的變量如何用于為可穿戴系統(tǒng)的電池充電。

圖3：使用凌力爾特公司的LTC3331從太陽能或壓電源獲取能量，并在可穿戴系統(tǒng)處于睡眠模式時為電池充電。

Maxim Integrated的MAX17710采用簡單的升壓調(diào)節(jié)器控制器來支持從低壓太陽能電池和其他收集能量。這在脈沖收獲模式下將能量收集至約1fW，在連續(xù)轉(zhuǎn)換中收集至高達100mW。對于0.8 V收獲源和4.1 V電池，只要收獲源可以支持，該設(shè)備可以提供超過20 mA(80 mW)的電壓。

圖4：將太陽能電池等低壓能量收集源與Maxim MAX17710電源管理連接。

圖4顯示了從低壓太陽能電池陣列中采集的典型應用升壓電路。這里，單元陣列對47 fF收集源電容器充電，直到FB上的電壓超過FBon閾值。這會觸發(fā)LX引腳拉低，強制電流通過外部電感。 LX以固定的1.0 MHz振蕩，占空比為90%。每次器件釋放LX時，電感強制LX的電壓高于CHG，并為0.1 fF CHG引腳電容充電。當CHG升至電池電壓以上時，即可充電。

可穿戴系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是確定電容器和電感器的尺寸，以確保它們適合小尺寸。 CHG引腳電容應最小化至0.1 fF以獲得最高充電效率，但收集源電容必須至少比CHG引腳電容大70倍，以便在最壞情況下將充電引腳升壓至最大充電電壓。這在兩個電容器之間產(chǎn)生平衡。將收集源電容器的尺寸增大到超過這個水平可以改善可穿戴設(shè)備中使用的低輸入功率水平(《10 fW)的充電電路效率。但設(shè)計人員必須小心，不要將電容器增加到太大，以至于收獲源無法克服電容器的泄漏。因此，建議最大值為47 fF，如表1所示。

ApplicationCharge Source CHG

電容(μF)最小LX

電感(μH)推薦

LX電感(μH)最小收獲

源電容(μF)推薦的收益源電容器(μF)高電壓0.22 N/AN/AN/AN/A低電壓《10μW0.10.85 1.5 7.0 47 《! - 重復以下tr以獲得更多行 - - 》低電壓》10μW0.10.85 1.5 7.0 7.0高壓和低壓《10μW0.220.85 1.5 15.4 47高壓和低壓》10μW0.220.85 1.5 15.4 15.4

還需要0.68 fH的最小電感值來防止超過LX引腳的最大額定電流，并且升壓電路二極管必須是高速肖特基二極管，例如作為Diodes Incorporated的ZLLS410TA。當LX驅(qū)動器關(guān)閉時，二極管必須快速接通以將LX引腳電壓上升鉗位在6.0 V或更低。如果超過最大電壓，可能會損壞LX引腳。

升壓轉(zhuǎn)換器直接從單元中獲取其靜態(tài)電流，以便它可以有效啟動，因此只有在能夠提供比升壓轉(zhuǎn)換器從單元消耗的功率更多的功率時才使用它。只要CHG電容足夠大以將CHG升高到電池引腳上的電壓以上，就可以保證這一點。

結(jié)論

將能量收集集成到可穿戴設(shè)備和個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中仍然是一個挑戰(zhàn)。能源不斷改進并產(chǎn)生更多電力，硅的電力需求正在下降，電源管理技術(shù)正在提供轉(zhuǎn)換能源的有效方法。通過仔細確定電源管理器件周圍的元件尺寸，它們可用于具有低壓電源的可穿戴系統(tǒng)，如壓電和太陽能電池。