高效率，低功率转化ICS改善可穿戴设备的性能并改善生活和工作条件
介绍
可穿戴设备不再只是您在酷科幻电影中可以看到的东西，而且使用可穿戴设备不再只是一个梦，并且可穿戴设备已成为一种趋势。最初，可穿戴设备很简单，例如用于步行或跑步的计步器。如今，可穿戴设备变得更加先进或更聪明，包括更加关注外观设计而不仅仅是功能，从而增加了此类设备的整体吸引力。从智能服装，眼镜，高级健身活动跟踪器，虚拟现实设备，夜视设备到头部展示，可穿戴设备已成为主流消费者，军事和工业市场的一部分。 “可穿戴设备”可以定义为用户可以长时间穿着的产品，并且通过佩戴此类产品，用户体验已经以某种方式得到改善。 “智能”可穿戴设备增加了连接性和独立的数据处理功能。可穿戴设备分为5个应用子类别：健身/健康（活动监测器，健身腕带，脚仪和心率监测器），信息娱乐（智能眼镜/防护镜，智能手表和成像设备），军事（夜视设备，头视觉设备，头部启动设备，往外展示，人类外观和智能服装）和媒体（媒体）和媒体（习惯）和媒体（信息）（信息）（信息）（信息）（信息）。这些应用的采用是由不同的市场驱动因素驱动的。对于军事应用，驱动力是提高情境识别能力，地图/路线，战斗效率和挽救生命的愿望。对于工业应用，主要的驱动力是提高生产线效率和跟踪功能；对于信息娱乐应用，驱动力来自具有最先进成像和虚拟现实技术的游戏市场的持续爆炸性增长，以及越来越多的设备可以无线连接智能手机以使其成为“物联网（IoT）”的组成部分”；对于健康和健康市场，主要的驱动力包括：延长预期寿命，健康保险成本上升以及延长健康的生活时间和减少住院时间。
1。使用生物统计信息来实现健康的生活
生物统计学反映了人体基本功能的生命体征。该信息包括体温，脉搏/心率，呼吸频率和血压。此信息至关重要，因为生命体征的负变化可能表明健康状况有所下降，反之亦然。显然，医院和医生的诊所都配备了昂贵的设备来衡量这些生物统计学。但是，如果可以有效地测量这些生物统计学，并且在医疗环境之外以低成本进行测量，那么生活质量可能会得到很大改善。例如，在家里或工作环境中，可以随时随地实时改变生活方式和行为，以改善健康，并有可能延长甚至挽救生命。幸运的是，用于医疗保健目的的智能可穿戴设备已经看到了设备的价格和改进的传感器技术。这包括可以连接到人体的更简单的“会标”检测产品，以及充满传感器并覆盖整个身体的更复杂的人类外骨骼。但是，从集成电路（IC）电子组件的角度来看，对这些可穿戴设备的分配和为这些可穿戴设备提供动力并不是微不足道的。为了进一步了解这一点，我们将仔细研究典型的智能可穿戴设备。
2个典型的智能可穿戴设备
典型的智能可穿戴设备包括哪些功能？人们可能会想到诸如微型嵌入式系统之类的设备。显然，准确的分区取决于设备本身，但总的来说，智能可穿戴设备的核心体系结构由以下组件组成：
微处理器或微控制器或类似IC；
某些类型的微电机电传感器（MEMS）；
小型机械执行器；
全球定位系统（GPS）IC；
蓝牙/蜂窝/Wi-Fi连接以收集/过程并同步数据；
成像电子组件，LED；
计算资源；
可充电或主电池或电池组；
支持电子组件。
可穿戴产品的主要设计目标通常是为了实现紧凑的外形，重量轻/舒适性以及超低能源消耗，以扩展电池运行时/寿命。但是，使用最小电流有效，准确地为此类设备供电并不是那么简单。与智能可穿戴设备供电的一些关键问题如下：
1）在电池供电的设备中，电源管理IC是否可以消耗很少的电流对于延长运行时间至关重要。需要微功率或纳米功率转换IC。
2）MEMS传感器需要稳定的电源，并且噪音非常低。忙碌的执行器也可以受益。 LDO或低纹波开关调节器非常适合这种类型的轨道，因为这些调节器的输出噪声非常低。
3）蓝牙/RF/Wi-Fi/系统轨道也需要低噪声。低液位调节器或（因为输出电流可能很大）LDO后电压调节器或低纹波开关调节器是绝佳的选择。
4）处理器（可穿戴设备的“大脑”）电源。从ARM MCU，DSP，GPS芯片到FPGA，需要各种低压轨道才能覆盖各种尺寸的各种电流。这些组件可以由LDO或开关调节器供电。
5）并非所有可穿戴设备都由可充电电池提供动力，有些设备可能会使用主电池（不可充电）电池，这需要在更换之间需要更长的运行时间，因此找到一种估计电池运行时间的方法是关键。
6）紧凑的尺寸和轻巧的重量使可穿戴设备更舒适，易于使用。紧凑型包装中的IC可以用较小的足迹形成解决方案，从而使设备具有较小的外形，重量和轻量级。
3超低静态电流IC溶液
显然，满足可穿戴应用需求以及上面讨论的相关问题的IC解决方案应具有以下特征：
•超低静态电流，无论是操作模式还是关机模式；
•广泛的输入电压范围，适合各种电源；
•能够有效的能力轨道系统轨道（有些具有较高电压> 5V的电压）；
•能够准确执行库仑计数以确定电池运行时，而不会显着影响IC静止电流（电池电流消耗）；
•平坦溶液，占地面积且重量轻；
•高级软件包，以提高热性能和空间利用率。
线性技术最近推出的产品，例如超低智商/-X雄鹿调节器，纳米电能收集调节器和具有集成库仑柜台的雄鹿助力转换器，已经具有大多数功能。
它是一个超低静态电流同步升压转换器，可在2.7V至20V输入电源电压范围内提供多达50mA的连续输出电流。卸载的工作电流仅为720NA，使该设备非常适合各种电池供电的低频率电流电源，例如“连续运行”的电源和可穿戴设备。它的磁滞同步整流可在宽负载电流范围内优化效率。对于从15µA到50mA不等的负载，该设备还提供了90％以上的效率，并且在稳定时仅需要720NA的卸载静态电流，从而延长了电池寿命。使用3mm x 3mm DFN软件包（或MSOP-10），只需要5个外部组件，因此可以为各种低功率应用形成非常简单且紧凑的解决方案。图1是典型的应用电路。
图1简单-1典型的低压应用电路
4纳米静态电流IC
这是一种纳米功率高效同步降压转换器，内置精确的库仑计数器可提供高达50mA的连续输出电流。该设备只有680NA静止电流和可编程的峰值输入电流从低至5mA至250mA，非常适合各种低功率电池应用，例如在可穿戴设备和物联网设备中看到的设备。它的1.8V至5.5V输入电压范围和8个用户选择的输出从1.8V到5V允许输入电压高于输出电压或等于输出电压时稳定的输出电源。此外，该设备的集成精度（±5％的电池电池放电量精度）计数器可准确监控累积的电池放电，以长寿命，不可充电的电池供电的应用，在许多情况下，电池电池的放电曲线极为平坦。典型的应用包括无线传感器，远程监视器和线性技术的Dust®®系统。包括4个内部低RDS，可提供高达90％的效率。其他功能包括可编程的排放警报阈值，用于访问银行计数值和设备设置的I2C接口，电源良好的输出和8个可选的峰值输入电流从5mA到250mA，以适合各种电池。操作连接温度的范围从-40°C到 +125°C，热增强20铅3mm x 4mm QFN包装。图2是典型的应用电路。
图2简化的应用示意图
是一种完整的能源收集解决方案，可提供连续输出电流高达50mA，可在可收集能量时延长电池寿命。简单的10mA分流器用收集的能量充电可充电电池充电，而低电池断开功能可保护电池免受深层排放的影响。当收集到的能量用于为负载提供稳定的功率时，该设备只需要电池提供200NA供应电流，而在无负载下由电池供电时，只需要950NA操作电流。它与高压能量收集电源，电池充电器和同步降压DC/DC转换器集成在一起，为能源收集应用提供了连续且稳定的输出，例如在无线传感器网络中的能源收集应用。能源收集电源由适合AC或DC输入的全波桥整流器和一个高效降低转换器，以从压电（AC），太阳能（DC）或磁性（AC）能源收集能量。当没有收集的能量可用时，可充电电池输入为在整个电池电压范围内运行的降压转换器为高达4.2V的降压转换器提供动力，无论输入是否高于上方，以下还是等于输出，都可以调整输出。当收集到的能量不再可用时，它会自动转换为电池。能量收集输入在AC或DC电压中运行范围为3V至19V，使该设备非常适合各种压电，太阳能或磁源。它的输入欠压锁定阈值设置是可编程的，范围从3V到18V，从而使应用程序可以在峰值电源输送点运行能量收集电源。其他功能包括可编程输出电压和降压峰值电流极限，超级电容器平衡器和输入保护分离器。有耐热的5mm x 5mm QFN包装。图3显示了典型的应用电路。
图3中的典型应用电路
5结论
智能可穿戴设备不再仅仅是虚构的电影小工具，智能可穿戴设备市场正在爆炸性地增长，涵盖了各种强调设计美学和功能的产品，以及用于健康和健身，医疗，信息娱乐，军事和工业应用的产品。例如，充满传感器的医疗保健可穿戴产品可以监视医疗设施外部和外部的关键生物统计学，例如心率和血压，从而为更积极和更健康的生活方式创造机会。智能可穿戴设备的核心结构取决于产品类型，但它们基本上由微控制器，MEMS传感器，无线连接，电池和支持性电子组件组成。用电流小型可穿戴设备为高效率供电可能非常具有挑战性，但是线性技术提供了一系列领先的产品，可以在低功率下提供非常高性能的产品，从而有助于提高可穿戴设备的市场增长。诸如超低智商收获雄鹿调节器的设备，以及具有集成库仑柜台的纳米能量收获调节器和降压调节器，可以显着简化和改善智能可穿戴设备的性能。
作者：史蒂夫·诺斯（Steve Knoth）高级产品营销工程师，线性技术电力部门