动态电压缩放如何在可穿戴设备中节省电力

您的光学传感可穿戴设备是否尽可能节省电力，因为它可以在不同的测量条件下提供连续、实时的监控？您可能已经设计了您的设备以适应不同的用例。很有可能，您的可穿戴设备还内置了上下调节电流的能力，以在设备工作时最大限度地减少电流消耗。但是想象一下，如果您有一种同时动态调整电压电平的方法，您可以节省多少电量。

一些简单的例子——简单的数学——展示了额外节能的潜力。光学传感系统设计用于在更具挑战性、更不利的测量条件下运行。例如，从一个在阳光和阴凉的小路上流汗的跑步者身上采集生命体征测量结果，比从温控办公室办公桌前工作的人身上采集生命体征测量数据更具挑战性。在更具挑战性的条件下，旨在捕获更准确、连续的心率测量的光学传感器算法需要将 LED 电流调至最高额定值，以实现更好的信噪比 （SNR）。一个典型的光学传感电路将有一个 LED 与一个由电压 V LED驱动的光学模拟前端 （AFE） 串联。 对于我们的简化示例，让我们看一下基于绿色 LED 的系统，其中为 LED 和 AFE 链供电的 V LED固定为 5V。假设在最高额定电流 （100mA） 下，LED 上的正向压降为 4V，而光学 AFE 上的压降为 1V。

V LED = 5V

VF = 4V ，100mA

V DRV = 1V

现在，让我们想象一下这个系统在有利的测量条件下——比如当人在办公桌前工作或睡觉时。在这种情况下，算法将显着降低光学传感器电流。在较低的电流（例如 5mA）下，LED 上的正向压降将降至 3V，从而在光学 AFE 上留下 2V。

V LED = 5V

V F = 3V，5mA

V DRV = 2V

在较低的电流下，该 AFE 正常运行所需的电压（其顺从电压）下降。然而，在 V LED上固定为 5V 的情况下，V DRV实际上比在不利条件下时更高。假设 AFE 的合规电压为 V DRV_COM = 0.16V；这种情况会在 AFE 上留下超过 1.84V 的电压。因此，系统消耗的功率比实际需要的多 1.84V x 5mA。

基本上，任何使用固定 V LED架构且需要针对不利条件进行扩展的系统最终都会在有利条件下消耗过多功率。但是，如果 V LED由具有动态电压缩放 （DVS） 的稳压器设置呢？然后，V LED可以根据当前设置上下调节，从而最大限度地降低功耗。系统可以调整 V LED以在适当的余量下最小化每个电流设置的以下表达式。

V LED – （V F + V DRV_COM ）

即使使用简单的查找表方法，设置适合特定电流范围的电压也可以显着节省电力，从而延长可穿戴设备的电池寿命。

计算节电

由于 DVS 可能节省的电量应该是显着的，尤其是当您考虑到大多数可穿戴设备将在不利的测量条件下仅佩戴相对较短的时间这一事实时。当然，不同的血液灌注水平、皮肤类型和使用案例会影响实际节省的成本。为了说明这一点，看一下这个典型的场景：

LED 脉冲电流 = 38.9mA

100sps 时的脉冲占空比为 117µs，即 1.17%

降压-升压效率 = 95%

假设这些参数在 24 小时循环中适用 4 小时。如果我们可以在 1V 时实现 DVS 节省，我们可以计算电池节省如下：

1V × 38.9mA × 1.17% × 95% × 4 小时 = 每 24 小时每天 1.73mWHr

对于 100mAHr 电池 （370mWHr），使用 10 天可节省 4.67% 的电量。这个例子没有考虑一整天的其他 20 个小时。

Maxim 提供带 DVS 的电源管理 IC，用于 24/7 全天候监控可穿戴设备和物联网应用。MAX20345包括具有超低静态电流的稳压器、一个线性电池充电器、三个支持DVS的降压稳压器、三个低压差（LDO）线性稳压器和一个升降压稳压器。因此，如果您渴望从可穿戴设备中节省更多电量，该技术可以帮助您实现这一目标。

审核编辑：郭婷