背景信息

一度像走路或跑步計步器一樣簡單的可穿戴設(shè)備，似乎一夜之間就變得更先進或智能化了。從面向聽障人士的語音振動轉(zhuǎn)換背心、先進的健身活動跟蹤器到夜視設(shè)備甚至平視成像顯示器，可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為消費類、軍用和工業(yè)市場的一部分。“可穿戴產(chǎn)品” 可定義為具備以下特點的產(chǎn)品：用戶穿戴在身上較長時間，而且由于穿戴了該產(chǎn)品而在某種程度上擁有更好的體驗。“智能化” 可穿戴產(chǎn)品則增加了連網(wǎng)能力和獨立數(shù)據(jù)處理能力?？纱┐鳟a(chǎn)品從應(yīng)用上分成 5 種類別：健身 / 保健 (活動監(jiān)視器、健身帶、足部傳感器和心率監(jiān)視器);信息娛樂 (智能眼鏡 / 護目鏡、智能腕表和成像設(shè)備);軍用 (夜視設(shè)備、平視顯示器、人體外骨骼和智能服裝);工業(yè) (佩戴在身上的終端) [來源：2013 IHS Electronics and Media]。這些產(chǎn)品的采用率是由不同的市場力量驅(qū)動的。就軍用類別而言，人們希望的是提高作戰(zhàn)效能以及對周圍情況的感知、地圖 / 路徑識別和拯救生命的能力。工業(yè)類別的主要驅(qū)動力是提高生產(chǎn)線效率和跟蹤能力。對于信息娛樂類別則是采用尖端成像及虛擬現(xiàn)實技術(shù)以持續(xù)爆炸性增長游戲市場，以及日益增加并能夠無線連接智能手機以成為 “物聯(lián)網(wǎng) (IoT)” 組成部分的設(shè)備。最后，保健與醫(yī)療市場的主要驅(qū)動力包括：平均壽命延長、限制不斷上升的醫(yī)療和保險費用、希望保持健康生活以及縮短住院時間。

有關(guān)健康的生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)

有關(guān)健康的生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)指的是衡量人體基本機能的生命體征數(shù)據(jù)，包括體溫、脈搏/心率、呼吸頻率和血壓。這些生命體征數(shù)據(jù)至關(guān)重要，因為這些數(shù)據(jù)中如果出現(xiàn)不好的變化，可能意味著健康水平下降，反之亦然。為了測量這些生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)，醫(yī)院和醫(yī)生診室中當然配備了齊全、昂貴的設(shè)備。不過，想象一下，如果不用去醫(yī)院就可以高效測量這些數(shù)據(jù)，而且不用花費很多，那么生活質(zhì)量會有多大改觀? 例如，在家中或工作場所，可以按照實時生命體征數(shù)據(jù)即時調(diào)整生活和行為方式，這可以改善健康水平并有可能延長甚至挽救生命。幸運的是，設(shè)備成本大幅下降，先進的傳感器技術(shù)不斷進步，因此智能醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備得以持續(xù)激增。這類可穿戴設(shè)備包括較簡單并可佩戴在身上的 “單一生命體征” 測量產(chǎn)品，也包括較復雜和到處都是傳感器的人體外骨骼設(shè)備。不過，從集成電路 (IC) 電子產(chǎn)品角度來看，劃分這些可穿戴設(shè)備的組成以及給這些設(shè)備高效供電并非微不足道之事。為了進一步理解這一點，接下來我們看看一個典型的智能可穿戴設(shè)備的內(nèi)部組成。

典型的智能可穿戴設(shè)備

典型智能可穿戴設(shè)備的運行靠什么驅(qū)動? 可以把它想象成一個微型嵌入式系統(tǒng)。準確地劃分其組成顯然取決于設(shè)備本身。然而，一般而言，一款智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)包括以下部分：

Ÿ一個微處理器或微控制器或類似 IC

Ÿ某些微型機電傳感器 (MEMS)

Ÿ小型機械傳動器

Ÿ全球定位系統(tǒng) (GPS) IC

Ÿ藍牙 / 蜂窩 / Wi-Fi 連接以收集 / 處理和同步數(shù)據(jù)

Ÿ成像電子組件，LED

Ÿ計算資源

Ÿ可再充電或主 (非可再充電) 電池或電池組

Ÿ支持性電子組件

可穿戴設(shè)備的主要設(shè)計要求通常是緊湊的外形尺寸、重量很輕以實現(xiàn)可穿戴性 / 舒適性、以及超低能耗以延長電池運行時間 / 壽命。不過，以最低電流消耗準確和高效地給這些設(shè)備供電并非如此簡單。與智能可穿戴設(shè)備供電有關(guān)的主要問題包括：

1)在電池供電設(shè)備中，電源管理 IC 的電流消耗要很低，這對延長運行時間是至關(guān)重要的。必要使用微功率或毫微功率轉(zhuǎn)換 IC。

2)MEMS 傳感器需要用穩(wěn)定和低噪聲的電源供電。動作頻繁的傳動器也能從中受益。LDO 或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合這類軌，因為這類穩(wěn)壓器具備很低的輸出噪聲。

3)藍牙 / RF / Wi-Fi / 蜂窩連接系統(tǒng)電源軌也要求低噪聲。低壓差穩(wěn)壓器或 LDO 后置調(diào)節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓器 (因輸出電流可能很高) 或低紋波開關(guān)穩(wěn)壓器是非常好的選擇。

4)處理器 (可穿戴設(shè)備的 “大腦”) 電源。從 ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片到 FPGA，都需要各種低壓電源軌，以涵蓋整個電流范圍。這些芯片可以由 LDO 或開關(guān)穩(wěn)壓器供電。

5)既然不是所有可穿戴設(shè)備都由可再充電電池供電，那么有些設(shè)備可以使用主 (非可再充電) 電池，這類電池要求每次更換之間可運行較長時間。因此，找到一種估計電池運行時間的方法是個關(guān)鍵。

6)緊湊的尺寸和很輕的重量使用戶感覺更加舒服。封裝緊湊的 IC 可構(gòu)成占板面積很小的解決方案，因此使可穿戴設(shè)備外形小且重量輕。

超低靜態(tài)電流 IC 解決方案

顯然，滿足可穿戴應(yīng)用需求以及解決上述相關(guān)問題的 IC 解決方案應(yīng)該具備以下特點：

Ÿ無論在工作模式還是停機模式，都具備超低靜態(tài)電流

Ÿ寬輸入電壓范圍以適應(yīng)各種電源

Ÿ能夠高效地給系統(tǒng)電源軌供電 (有些電源軌具備 >5V 的較高電壓)

Ÿ能夠準確對電荷計數(shù)以確定電池運行時間，但對 IC 靜態(tài)電流 (電池電量消耗) 不造成顯著影響

Ÿ占板面積小、重量輕且外形扁平的解決方案

Ÿ先進封裝以提高熱性能和空間利用率

幸運的是，凌力爾特不久前已推出了相關(guān)產(chǎn)品，例如超低靜態(tài)電流 LTC3388/-x 降壓型穩(wěn)壓器、毫微功率 LTC3331 能量收集穩(wěn)壓器、和集成了庫倫計數(shù)器的 LTC3335 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器都已經(jīng)具備了上述大多數(shù)特點。

LTC3388 是一款超低靜態(tài)電流同步降壓型穩(wěn)壓器，可用 2.7V 至 20V 輸入電源提供高達 50mA 的連續(xù)輸出電流。LTC3388 的無負載工作電流僅為 720nA，因此非常適合多種電池供電和低靜態(tài)電流應(yīng)用 (例如：“保持有效” 電源和可穿戴設(shè)備)。其同步遲滯整流在很寬的負載電流范圍內(nèi)優(yōu)化了效率。該器件在 15uA 至 50mA 負載范圍內(nèi)還提供超過 90% 的效率，而且在穩(wěn)壓時的無負載靜態(tài)電流僅為 720nA，因此延長了電池壽命。3mm x 3mm DFN 封裝 (或 MSOP-10) 和僅 5 個外部組件相結(jié)合，為多種低功率應(yīng)用提供了占板面積緊湊和非常簡單的解決方案。圖 1 顯示了 LTC3388 的典型應(yīng)用電路。

圖 1：LTC3388-1/-3 典型應(yīng)用電路

LTC3388/-x 系列主要特點小結(jié)：

Ÿ穩(wěn)壓時的 720nA 輸入 Iq (無負載)，VIN = 4V

Ÿ穩(wěn)壓時的 820nA 輸入 Iq (無負載)，VIN = 20V

ŸUVLO 時 400nA 輸入 Iq

Ÿ2.7V 至 20V 輸入工作電壓范圍

Ÿ輸出電流高達 50mA

Ÿ引腳可選輸出電壓

Ÿ1.2V、1.5V、1.8V、2.5V (LTC3388-1)

Ÿ2.8V、3.0V、3.3V、5.0V (LTC3388-3)

Ÿ高效率同步遲滯 DC/DC 轉(zhuǎn)換

Ÿ備用模式停止降壓切換

Ÿ10 引線 MSOPE 和 3mm × 3mm DFN 封裝

毫微功率靜態(tài)電流 IC – LTC3335 和 LTC3331

LTC3335 是一款毫微功率高效率同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置的精確庫倫計數(shù)器提供高達 50mA 的連續(xù)輸出電流。該器件具備僅為 680nA 的靜態(tài)電流和從低至 5mA 直至高達 250mA 的可編程峰值輸入電流，非常適合多種低功率電池應(yīng)用 (例如：可穿戴設(shè)備和 IoT 設(shè)備中那類電池應(yīng)用)。其 1.8V 至 5.5V 輸入范圍和 8 個在 1.8V 至 5V 之間的用戶可選輸出用高于、低于或等于輸出的輸入，提供穩(wěn)定的輸出電源。此外，在長壽命非可再充電電池供電應(yīng)用中，該器件集成的精確 (電池放電測量準確度為 ±5%) 庫倫計數(shù)器準確監(jiān)視累計電池放電量，這類應(yīng)用在很多情況下具備極度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)視器和凌力爾特的 Dust Networks® SmartMesh® 系統(tǒng)。LTC3335 包括 4 個內(nèi)部低 RDSON MOSFET，可提供高達 90% 的效率。其他特點包括可編程放電報警門限、一個用來獲取電荷量數(shù)值及設(shè)定器件的 I2C 接口、一個電源良好輸出以及 8 個 5mA 直至 250mA 的可選峰值輸入電流，以適應(yīng)多種類型和尺寸的電池。LTC3335 采用耐熱性能增強型 20 引線 3mm x 4mm QFN 封裝，工作結(jié)溫范圍為 -40°C 至 +125°C。圖 2 顯示了典型的 LTC3335 應(yīng)用電路。

圖 2：簡化的 LTC3335 應(yīng)用原理圖

LTC3335 主要特點小結(jié)：

Ÿ680nA 輸入靜態(tài)電流 (無負載情況下輸出處于穩(wěn)壓)

Ÿ1.8V 至 5.5V 輸入工作范圍

Ÿ1.8V、2.5V、2.8V、3V、3.3V、3.6V、4.5V、5V 可選輸出電壓

Ÿ集成的庫倫計數(shù)器測量累計電池放電量

Ÿ±5% 電池放電測量準確度

Ÿ5mA、10mA、15mA、25mA、50mA、100mA、150mA、250mA 可編程峰值輸入電流

Ÿ高達 50mA 的輸出電流

Ÿ高達 90% 的效率

Ÿ可編程庫倫計數(shù)器預(yù)分比例器以適合多種尺寸的電池

Ÿ可編程放電報警門限

ŸI2C 接口

Ÿ扁平 (0.75mm) 20 引線 (3mm × 4mm) QFN 封裝

LTC3331 是一款完整的能量收集解決方案，當可收集能量可用時，提供高達 50mA 的連續(xù)輸出電流以延長電池壽命。簡單的 10mA 分路允許用收集的能量給可再充電電池充電，同時低電池電量斷接功能保護電池免于深度放電。當用收集的能量向負載提供穩(wěn)壓電源電時，該器件僅需要電池提供 200nA 電源電流，而在無負載情況下用電池供電時，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，為諸如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量收集應(yīng)用等提供單一連續(xù)穩(wěn)壓輸出。能量收集電源由一個接收 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個高效率降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電 (AC)、太陽能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。當沒有環(huán)境能量可收集時，可再充電電池輸入給降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在高達 4.2V 的整個電池電壓范圍內(nèi)工作，無論輸入高于、低于或等于輸出，都可穩(wěn)定。當收集能源不再可用時，LTC3331 自動轉(zhuǎn)換到電池。LTC3331 的能量收集輸入在 3V 至 19V AC 或 DC 電壓范圍內(nèi)工作，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)定值在 3V 至 18V 范圍內(nèi)可編程，從而使應(yīng)用能夠在能量收集電源的峰值功率傳送點上運行。其他特點包括引腳可編程輸出電壓和降壓-升壓型峰值電流限制、一個超級電容器平衡器和一個輸入保護分路器。LTC3331 采用耐熱性能增強型 5mm x 5mm QFN 封裝。圖 3 顯示了 LTC3331 的典型應(yīng)用電路。

圖 3：LTC3331 典型應(yīng)用電路

LTC3331 主要特點小結(jié)：

Ÿ具輸入優(yōu)先級區(qū)分器的雙輸入、單輸出 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

Ÿ能量收集輸入：3.0V 至 19V 降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

Ÿ電池輸入：高達 4.2V 的降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

Ÿ10mA 分流電池充電器，具 3.45V、4.0V、4.1V、4.2V 可編程浮置電壓

Ÿ低電池電量斷接

Ÿ超低靜態(tài)電流：無負載時為 950nA

Ÿ集成式超級電容器平衡器

Ÿ輸出電流高達 50mA

Ÿ可編程 DC/DC 輸出電壓、降壓型 UVLO 和降壓-升壓型峰值輸入電流

Ÿ集成的低損耗全波橋式整流器

Ÿ輸入保護分流：VIN ≥ 20V 時高達 25mA

Ÿ5mm × 5mm QFN-32 封裝

結(jié)論

智能可穿戴設(shè)備市場近年來已出現(xiàn)爆炸性增長，出現(xiàn)了面向保健與健身、醫(yī)療、信息娛樂、軍用和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的多種產(chǎn)品。包括使用傳感器的醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備在內(nèi)的新一波產(chǎn)品可監(jiān)視關(guān)鍵生物統(tǒng)計信息，例如在醫(yī)院以外測量心率和血壓，這為采用更加積極、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)視產(chǎn)品類型而定，但基本上由一個微控制器、MEMS 傳感器、無線連接電路、電池和支持性電子組件組成。給小電流可穿戴設(shè)備供電可以證明是非常具挑戰(zhàn)性的，不過凌力爾特提供了一系列性能非常高、功率非常低的尖端產(chǎn)品。例如有超低靜態(tài)電流 LTC3388 能量收集降壓型穩(wěn)壓器等器件、以及面向毫微功耗的 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，這可以極大地簡化并提高智能可穿戴設(shè)備的性能。