可穿戴設計能量收集技術的評估

　　近年來涌現(xiàn)出了大量可穿戴電子產品，這些產品所面臨的共同難題之一就是電池使用壽命問題。許多智能手表必須天天充電，而更多的專業(yè)健身設備雖然工作時間很長，但在功能和連接性方面仍存在不足。由于越來越多地要求與互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)中的其它設備連接，設計中的無線和計算元件對電源的要求也越來越高。同樣，節(jié)能顯示器技術也在進步，而且對于更豐富的用戶接口的不斷需求正推高此類設備的電源要求。

　　該難題的解決方法之一就是增加從環(huán)境中收集能量的能量收集技術的使用。這種方法可用于向電池提供穩(wěn)定的涓流，從而延長可穿戴設備的充電間隔并以此提升終端設計的吸引力。

　　然而，使用這些技術是面臨四個工程難題：電能的產生、電能的管理和存儲、收集元件的尺寸以及成本。多年以來，在新型能量收集方面已進行了大量研究，但大部分研究還未能推出可以上市的設備。

　　可穿戴設備本身就需要接近人體，這就提供了多種電能來源的獲取途徑，因此具有一些關鍵優(yōu)勢。

　　電能的產生

　　現(xiàn)有多種能從環(huán)境為可穿戴設備產生電能的方法，但在工程方面各有優(yōu)劣。其中，最成熟的一種便是多年來一直在為傳統(tǒng)手表提供電力的太陽能技術。太陽能電池，如 Panasonic BSG 的 Amorton 和 IXYS 的器件，能直接利用日光供電，且現(xiàn)在已能利用室內照明供電。正如 Silicon Labs 的開發(fā)套件展示的那樣，這些器件使用小占空比，能產生足夠的電能，驅動無線鏈路長達十五年?！?

　　圖 1：Silicon Labs 采用太陽能電源的能量收集評估板

　　此外，該評估板外形扁平，電池高度僅 0.17 mm，這是進行可穿戴設備設計時的另一關鍵注意事項。 此處的低功耗控制器——Si1012 無線 MCU 是關鍵器件，能保持僅消耗 50 nA 的低功耗狀態(tài)。 能量收集電源在啟用時的漏泄電流約 3 μA，且只需低至 50 勒克斯光照射太陽能電池即可抵消。這使得能量收集電源能在長達七天的黑暗環(huán)境下向系統(tǒng)供電，或者如果有一個能補足損失能量的周期性光源，就能無期限期向為系統(tǒng)供電。 該系統(tǒng)在室內 200lx 和戶外 10，000lx 光源下均能工作。

　　然而，這里關注的僅是無線連接而非系統(tǒng)總功耗要求。對于進行定期測量并將測量值反饋回集線器的健身設備，這是一種理想的長使用壽命方法。

　　諸如智能開關等中央集線器需要較高電流，且其它技術正在評估之中。其中的一項技術便是從人體體熱中收集熱能。手表緊貼皮膚時，可以通過 Peltier 和 Seebeck 效應利用人體溫差發(fā)電?，F(xiàn)在，已有商業(yè)化的熱電設備能與人體皮膚接觸在 5 度溫差下產生 10 至 20 μW/cm2 功率。兩到三個這樣的器件即可滿足一個健康監(jiān)視系統(tǒng)的功率要求。

　　來自韓國 KAIST 研究院的研究小組已開發(fā)出一種熱電發(fā)電機，這種器件在有機基底上融入了無機材料，重量極輕且柔性極高。這種織物型基底柔韌性極高，彎曲半徑達 20mm，因此可用于緊貼人體皮膚的可穿戴設計中，且基底彎曲時不會改變性能。

圖 2：韓國 KAIST 開發(fā)的柔性熱電發(fā)電機。

　　這種發(fā)電機采用可以打印到織物上的特殊膏狀 n 型 （Bi2Te3） 和 p 型 （Sb2Te3） 熱電材料。這種膏狀材料覆蓋在織物纖維上方，形成數(shù)百微米厚的 TE 材料膜。這樣便形成數(shù)百個能夠發(fā)電的熱電點，并使研究人員能將發(fā)電機重量大幅減小至 0.13 g/cm2 左右。在腕套中，面積為 10 cm x 10 cm 的原型發(fā)電機可產生約 40 mW 功率。

　　可穿戴設備也通常處于移動狀態(tài)，能為不同的電池充電方法提供新的發(fā)電途徑。使用如 Measurement Specialties 提供的 MSP1006 壓電振動傳感器，可利用設備自身的運動提供電源。把傳感器調諧至使用者的運動共振頻率時（通常 100 Hz 左右），可用來提供電源。 這種想法雖不算新穎——已在自動上發(fā)條手表上使用了幾十年，但可利用壓電晶體的彎曲動作發(fā)電。 利用運動進行能量收集的新方法正處于調查研究階段，包括捕獲材料中纖維移動產生的電荷。

　　圖 3：Measurement Specialties 的 MSP1006 壓電晶體。

　　能否利用無線電發(fā)射產生的電場收集電能，仍處于實驗室研究階段。無線網(wǎng)絡的普及讓我們有機會為便攜式和可穿戴設備收集這種電能。然而這種技術仍處于初期階段，但對無線電源來說極有可能取消充電電纜，且只需將可穿戴設備放到充電板上就能反復充電。

　　管理和存儲

　　即使在通過太陽能或者振動傳感器產生電能后，仍需克服幾個難題。產生的電流可能非常小并具有間歇性特點，而且收集后才能使用。同樣，來自電池的電流必須經過管理，然后才能提供給可穿戴設計中的硅晶片。這就需要把存儲元件(從超級電容器到電池)與新一代電源管理芯片組合使用，這種芯片已針對能量收集應用進行了優(yōu)化，且可在如此低的電流下工作。

　　針對可穿戴系統(tǒng)的新型更高密度電池技術已在開發(fā)之中，它能利用能量收集源的涓流充電功能，無需損耗電池的化學材料，且器件體積很小。

　　Linear Technologies 已開發(fā)出一款多功能能量收集演示板。利用該演示板，可穿戴系統(tǒng)設計人員可評估所有不同的能量收集源、評估每種能量收集源的電源管理如何不同。 DC2048A 可在設計初期利用壓電、太陽能、熱電能量源或其它任何高阻抗 AC 或 DC 電源。

　　該評估板內含四個獨立芯片，用于處理不同的能量源和管理工作。LTC3588-1 壓電能量收集電源集成了一個低損耗全波橋式整流器和一個高效率降壓轉換器，以適應諸如壓電或太陽能等高輸出阻抗能量源。該器件具有超低靜態(tài)電流欠電壓鎖定 (UVLO) 模式以及一個寬滯后窗口，因此能在輸入電容器上一直累積電荷，直到降壓轉換器能有效地將已存儲的一部分電荷傳輸至電源管理器。該器件的四個輸出電壓 (1.8 V、2.5 V、3.3 V 和 3.6 V)均可通過引腳選擇，且輸出高達 100 mA 的連續(xù)電流，但也可以選擇輸出電容器來匹配較高輸出電流脈沖，以適應如智能手表等性能更高的設計。 設定為 20 V 的輸入保護分流器能在給定輸入電容下存儲更多能量。

　　另一方面，LTC3108 是一款可用于熱電發(fā)電機的超低電壓 DC/DC 升壓轉換器。這種升壓型拓撲結構的輸入電壓可低至 20mA 并采用一個 2.2 V LDO 向外部處理器供電，而主輸出則經過編程后用作四個固定電壓中的一個，向無線鏈路供電。儲能電容器在沒有輸入電壓源時提供電能，這種設計可確保輸出存儲電容器快速充電，以使供電平穩(wěn)。

　圖 4：LTC3108 電源芯片優(yōu)化用于從熱電設備收集能量

　　該評估板上還包括帶功率點控制和 LDO 穩(wěn)壓器的 LTC3105 升壓 DC/DC 轉換器、LTC3459 10 V 微功耗同步升壓轉換器和 LTC2935-2/LTC2935-4 超低功耗監(jiān)控器，后者還包括針對電源故障輸出的可選擇閾值，以方便開發(fā)人員密切監(jiān)視電源。有了所有這些設備，就能利用不同的能量收集源評估各種電源管理方案。

　　該評估板還提供多個接口和變送器針座，因此簡化了針座與開發(fā)板的連接。此外提供的跳線還可以用不同方式對該板進行配置。 該板標配三個跳線，最大可安裝十個。

　　尺寸和成本

　　這些技術雖合理完善，但在可穿戴設計方面卻一直存在一個挑戰(zhàn)——如何減小體積、提升性能，但又不增加成本。利用新型電池化學材料，現(xiàn)在的電池已能做到外形更薄、容量更大，這有助于在嚴格限制尺寸和重量的可穿戴設計中延長電池壽命。作為一種已在使用的新型材料和制造技術，Peltier 和 Seebeck 效應熱電發(fā)電機的體積正變得越來越小，與此同時，太陽能電池技術也在提升效率，減小重量，以便在設計中更多地使用太陽能電池，提供更多電力。

　　作為設計核心的硅器件也在減小體積，降低功耗。 隨著功耗和電壓的降低，微處理器、無線節(jié)點和電源管理芯片的晶模面積在不斷減小，讓設計人員能更多地滿足可穿戴設計要求。

　　總結

　　現(xiàn)在，可穿戴設備開發(fā)人員能利用很多能量源從環(huán)境中收集能量，同時，對于電池使用壽命和高性能的要求正推動研究人員探索新的方法。從簡單的健身傳感器，到作為其它許多設備的集線器的全功能智能手表，人們已經找到多種新的方法利用太陽能、熱或振動能量來延長這些可穿戴設計中的電池壽命。然而，這只是故事的一章。電池技術和電源管理方面的開發(fā)已趕上這些能量源的發(fā)展步伐，提供的電源能夠良好地匹配整個設計的要求。 電池充電間隔是幾天、幾周還是幾個月，都不會影響可穿戴技術的功能。