可穿戴电子设备的能量收集应用介绍.doc
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1、可穿戴电子设备的能量收集应用介绍能量收集主要被视为一种供电方式,用于向那些无法接入电源或除电池以外亦需要补充电源的电子设备供电。 在许多情况下,使用能量收集的应用往往没有足够的空间来容纳大体积的电池。 典型例子包括可穿戴技术,如健身小工具和健康监测设备,以及诸如环境或结构状况监测应用中的无线传感器节点。通常情况下,从诸如太阳能、振动或温差等环境能量源收集的能量,需要经过转换、升压和暂存后才能得到有效利用。 现如今,多家公司针对能量收集应用推出的电源转换和电源管理集成电路日益增多。 但面临的压力使,要确保这些设备高度集成,以便于多功能操作,且尺寸要尽可能小。 毫无疑问,设备本身的功耗也要非常低。
2、本文将概述快速增长的可穿戴电子设备市场及其相关应用的微型化需求, 并讨论最近推出的、带集成降压转换器的 bq25570 升压充电器,以及一系列类似的替代和互补部件。 本文将参考 TI 的用户指南,阐述如何最有效地将该设备用于超低功耗、空间/重量受限的能量收集应用。更多功能如今,可辅助跟踪记录健身计划、监测健康状况并提供医疗服务的可穿戴设备日益增多。 正如多数便携式设备一样,随着消费者预期的增长,此趋势会促进设备功能的增多。 如果在心率监测器中集成 GPS 装置,跟踪记录圈数或跑步路线,心率监测器必将更受青睐。 目前,现代可穿戴式健康监测设备除可监测心电图反应外,还可监测血压、体温、血氧含量、心
3、率和活动量。图 1:能量收集将会是许多可穿戴电子设备应用中的关键技术。左:Sensoria 的智能袜,配备压力传感器,可通过蓝牙与脚环进行通信,以帮助识别和改善跑步姿势(脚跟着地/脚掌着地)。 其他传感器则可追踪记录步数、速度、消耗卡路里、高度和距离。右:Fraunhofer Institute 研发的面向老年人群体的可穿戴式辅助设备,可提供服药提醒、健康状况监测和紧急援助呼叫等一系列可编程服务。无线连接可便于设备传输和存储收集到的数据,以供稍后分析。 无线传感器网络作为物联网的一部分,在智能建筑和环境监控等应用中必不可少,在这些应用中来自许多个传感器的数据都要经过编译。 正因为此,在智能手表
4、、生物特征监测器、ID 标签产品、传感器节点和其他可穿戴式或远程应用中,集成的传感器、射频电路和更精密的微控制器日益增多。不过,此类多功能设备要想受到青睐,除需提供合理的电池续航时间外,还需要重量轻、体积小和穿戴舒适。 设计师们纷纷采用能量收集技术来有效利用体热或脚步振动等环境能量,以为电池持续充电。 在某些设备(如植入设备)中,收集到的能量是唯一的能量来源。因此,能量收集可被看作为一项可节省空间的实用技术,既可以替代电池,又可实现体积更小的可充电电池的应用。 对于任何由电池或收集的能量供电的设备而言,电源管理都非常重要。 通过功耗很低,且通常不规则的电源,来确保实现最佳性能和高效率运行,需要
5、一定的准确度和精密度。 多家 IC 制造商纷纷瞄准这一市场,其中包括 Advanced Linear Devices、Cymbet、Linear Technology、Maxim Integrated、Spansion、STMicroelectronics 和 Texas Instruments。相对于旧一代的电源而言,新一代电源的集成度更高,体积更小,功耗也更低。 理论上,设备会先获取收集的能量,然后进行转换和/或升压,最后将其直接供给系统或可再充电的储能设备。 某些设计会专用于一种类型的能量存储设备,如超级电容器或锂离子钮扣电池。 也有另一些可支持多种能量存储设备的设计。 同理,某些设计可
6、能专用于一种形式的能量收集,也有另一些可支持多种形式能量收集的设计。要注意的一个重点是不同应用所需要的启动电压。 有些应用的启动电压低至 20 mV,不过功能可能受限,需要额外的互补部件才能提供充分的电源管理。 集成度更高的部件可能总体尺寸更小,整体静态电流更低,不过可能需要更高的启动电压,才能使其更加依靠最低水平的储存能量来工作。 有些设备针对性很强,专用于超低功耗的传感器节点。 其他设备将支持更高的输入电压水平,从而满足基于微控制器设备的要求,不过对于能量收集应用而言,这些微型设备本身的功耗非常低。重要的是,电源管理 IC 需要足够灵活,能够处理断续供电情况和收集的能量(往往不稳定,且往往
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