背景

從谷歌眼鏡 (Google Glass) 到先進(jìn)的健身活動(dòng)追蹤器、頭戴式成像顯示器，再到血壓監測儀，可穿戴式設備已經(jīng)進(jìn)入了軍事、工業(yè)和高端消費電子產(chǎn)品市場(chǎng)。此類(lèi)設備正在迅速地改進(jìn)并且變得更加“聰明”。我們可以把“可穿戴式產(chǎn)品”定義為一種用戶(hù)長(cháng)時(shí)間穿著(zhù)并因此而在某種程度上改善用戶(hù)體驗的產(chǎn)品。智能型可穿戴式產(chǎn)品則給設備增添了連接和實(shí)施獨立處理的能力。據估計，可穿戴式設備市場(chǎng)的規模到 2018 年將增長(cháng)到 1.3 億部 (資料來(lái)源：PwC，2014 年 10 月)�？纱┐魇皆O備分為 5 個(gè)應用子類(lèi)別：健身 / 健康 (活動(dòng)監測儀、健身腕帶、計步器和心率監測儀)、保健 / 醫療 (脈搏血氧計、助聽(tīng)器和血壓監測儀)、信息娛樂(lè ) (智能眼鏡 / 護目鏡、智能手表和成像裝置)、軍事 (頭戴式顯示器、外骨骼和智能服裝) 和工業(yè) (體佩式終端) [資料來(lái)源：IHS Electronics and Media，2013 年]。推動(dòng)這些類(lèi)別之普及率逐步提高的市場(chǎng)因素各不相同。在健康和醫療區段中，其包括：預期壽命不斷延長(cháng)、渴望延長(cháng)健康的生活并減少住院時(shí)間。對于軍事領(lǐng)域，其為改善態(tài)勢感知、行軍地圖 / 路線(xiàn)、作戰效能和挽救生命的期盼。對于工業(yè)范疇，主要的推動(dòng)因素是改善生產(chǎn)線(xiàn)效率和追蹤能力。最后，對于信息娛樂(lè )區段，這種推動(dòng)力為尖端成像和虛擬現實(shí)技術(shù)導致的爆炸性游戲市場(chǎng)增長(cháng)，以及越來(lái)越多能夠與智能手機實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接以成為“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT) 之一部分的設備。

智能型可穿戴式設備的架構及存在的問(wèn)題

那么，智能型可穿戴式設備的“內部結構”是怎么樣的呢? 把它想象成一種微型嵌入式系統。確切的分區顯然將取決于設備本身。不過(guò)一般來(lái)說(shuō)，智能型可穿戴式設備的核心架構是下列部分的組合：一個(gè)微處理器或微控制器或類(lèi)似的 IC、某種類(lèi)型的微機電傳感器 (MEMS)、小型機械執行器、全球定位系統 (GPS) IC、藍牙 / 蜂窩連接、成像電子線(xiàn)路、LED、計算資源、電池或電池組、以及支持電子線(xiàn)路。

可穿戴式裝置的首要目標是擁有緊湊外形和低重量以實(shí)現可穿著(zhù)性 / 舒適性，并提供超低的能耗以延長(cháng)電池運行時(shí)間�？纱┐魇皆O備無(wú)疑是“低發(fā)熱量”(cool) 產(chǎn)品，不過(guò)，在以極小的吸收電流給電池充電的同時(shí)為其進(jìn)行高效和準確的供電則完全是另一回事。與采用 IC 為智能型可穿戴式設備供電有關(guān)的一些主要問(wèn)題如下：

l在電池供電型設備中，IC 的低電流消耗對于延長(cháng)設備的運行時(shí)間是至關(guān)重要。理想的選擇是微功率、甚至毫微功率轉換。

l有些可穿戴式設備架構采用的是多電池方案，例如：兩節鋰 (8.4V) 電池，而不是單節鋰電池 (4.2V)。這增加了電池容量并提供了更長(cháng)的系統運行時(shí)間。然而，這需要使用一個(gè)較高電壓的 IC。

lMEMS 傳感器需要從安靜的穩壓電源供電。處于工作狀態(tài)的執行器也可能受益。LDO 因其具有低輸出紋波而非常適用于此類(lèi)電源軌。

l藍牙 / RF 連接系統電源軌也要求低噪聲。低壓差穩壓器或者 (由于輸出電流可能很高) LDO 后置開(kāi)關(guān)穩壓器是一種不錯的選擇。

l處理器電源 (可穿戴式設備的“大腦”)。例如，TI OMAP、ARM Cortex MCU、DSP、GPS 芯片或 FPGA 具有多種低電壓軌，其范圍從低電平至高電流。它們可以由 LDO 或開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)供電。

l電池需要看護和饋電，以避免因過(guò)度充電而導致電池循環(huán)壽命縮短。采用內置充電終止算法的準確電池充電器可確保較長(cháng)的電池壽命。

l緊湊的尺寸和低重量使得用戶(hù)在使用可穿戴式設備時(shí)感覺(jué)更加舒服。緊湊封裝中的 IC 可幫助實(shí)現小巧的解決方案占板面積，從而使設備擁有小外形。

l功能豐富的可穿戴式產(chǎn)品意味著(zhù)需要很多的系統電源軌。多輸出穩壓器或電源管理集成電路 (PMIC) 可以很好地滿(mǎn)足這種要求。最后，內置電池充電器的緊湊型 IC 可提供較高的集成度和靈活性。

具超低靜態(tài)電流的 IC 解決方案

很明顯，可滿(mǎn)足應用需求并解決已討論之相關(guān)問(wèn)題的 IC 解決方案應具備以下諸多特性：

l在工作模式和停機模式中均提供超低靜態(tài)電流

l寬輸入電壓范圍以適應多種電源

l能夠有效地為多個(gè)系統電壓軌供電

l準確的電池充電電壓以防止發(fā)生過(guò)度充電

l能夠為常見(jiàn)的電池化學(xué)組成 (例如：鋰) 充電

l利用內置充電終止算法實(shí)現簡(jiǎn)單和自主型充電操作 (無(wú)需微控制器)

l占板面積小巧的扁平解決方案

l可提供先進(jìn)封裝以改善熱性能和空間效率

幸運的是，凌力爾特近期推出的超低 Iq LTC3388/-x 降壓型穩壓器系列及其 LTC3553 組合式降壓穩壓器和單節鋰電池充電器 PMIC 已經(jīng)擁有了大多數上述特性。

LTC3388 是一款超低靜態(tài)電流同步降壓型轉換器，該器件可從 2.7V 至 20V 輸入電源提供高達 50mA 的連續輸出電流。LTC3388 的無(wú)負載工作電流僅為 720nA，因而使其非常適合于眾多的電池供電型和低靜態(tài)功率應用，包括 “保持運作” 電源和可穿戴式產(chǎn)品。LTC3388 運用遲滯同步整流以在寬負載電流范圍內優(yōu)化效率。它可為 15μA 至 50mA 的負載提供超過(guò) 90% 的效率，且在穩定狀態(tài)時(shí)僅需 720nA 無(wú)負載靜態(tài)電流，從而延長(cháng)了電池壽命。3mm x 3mm DFN 封裝 (或MSOP-10) 只要與 5 個(gè)外部組件相結合就能為多種低功率應用提供一個(gè)非常簡(jiǎn)單和占板面積緊湊的解決方案。圖 1 示出了典型的 LTC3388 應用電路。

圖 1：LTC3388-1/-3 典型應用電路

為了實(shí)現更高的集成度 —— 采用 PMIC

LTC3553 是一款微功率多功能 PMIC 解決方案，其適用于基于鋰離子 / 鋰聚合物電池的便攜式應用。LTC3553 在緊湊型 3mm x 3mm QFN 封裝中集成了一個(gè) USB 兼容的線(xiàn)性電源通路 (PowerPath™) 控制管理器、一個(gè)獨立的電池充電器、一個(gè) 200mA 高效率同步降壓型穩壓器、一個(gè) 150mA 低壓差 LDO 和按鈕控制器，其典型應用電路請參閱圖 2。對于那些在備用模式中以低電流運作的應用，該 IC 的引腳可選備用模式把電池漏電流降至僅 12μA 左右，同時(shí)保持所有輸出處于穩定狀態(tài)，詳見(jiàn)圖 3 所示的曲線(xiàn)圖。LTC3553 非常適用于個(gè)人導航設備 (PND)、媒體播放器、便攜式醫療和工業(yè)設備、以及其他采用小容量電池并具低功耗的小電池供電型便攜式設備應用。

圖 2：LTC3553 簡(jiǎn)化應用原理圖

圖 3：LTC3553 電池漏電流運作

結論

目前，智能型可穿戴式設備市場(chǎng)呈爆炸性增長(cháng)態(tài)勢，其包括了多種面向健康和健身、醫療、信息娛樂(lè )、軍事和工業(yè)應用領(lǐng)域的產(chǎn)品。智能型可穿戴式設備的核心架構雖然取決于產(chǎn)品類(lèi)型，但是基本上可歸結為一個(gè)微控制器、MEMS 傳感器、無(wú)線(xiàn)連接、電池和支持電子線(xiàn)路�？梢宰C明，為低電流可穿戴式設備供電是非常具有挑戰性。不過(guò)，凌力爾特提供了一個(gè)規模龐大的領(lǐng)先產(chǎn)品庫，它們能夠在此類(lèi)低功率級別上實(shí)現非常高的性能。超低 Iq LTC3388 能量收集降壓型穩壓器以及旨在實(shí)現更高集成度的 LTC3553 鋰電池充電器和降壓穩壓器 / LDO 組合式 PMIC 等器件能夠改善許多未來(lái)可穿戴式設備的工作壽命和總體性能。