如何管理可穿戴设计中能量收集技术

对于可穿戴系统的设计者来说，功耗是一项重大挑战。随着功能需求的增长，功耗也在增长。新工艺技术和电源管理的开发有助于降低可穿戴设计中器件的功耗，但这些是带有小电池的空间受限设计。因此，对电源的需求似乎不断超过电池的容量，以提供智能手表，健身追踪器，位置监控器和无线钥匙所需的能量。

从环境中获取能源是在可穿戴设计中延长电池寿命的一种方法。不必每12小时为一个小电池充电，用少量能量为电池充电，并在系统处于睡眠模式时给电池充电，可以提供更多电力并延长充电之间的时间。

这种能量来自许多来源。可穿戴设计的“传统”能量收集技术是太阳能。手表多年来一直拥有太阳能，采用超低功率石英晶体和单色LCD显示屏。然而，具有彩色屏幕的智能手表，无线链接，智能手机通知以及直接从手表拨打电话的能力需求大大增加了功率需求。目前的智能手表需求从205 mAh到420 mAh不等，后者只需一天半的操作。

正在出现可用于提供电力的其他技术。透明太阳能电池提供在屏幕上覆盖的能力。其中第一个由密歇根州立大学研究所开发的普遍能源公司开发，采用透明的发光太阳能聚光器。它由吸收紫外和红外光的特定不可见波长的有机盐组成，然后它们作为另一种红外波长发光。然后，在细胞边缘的收集器拾取光。目前效率仅为1％，但研究人员希望将其提高到5％。

图1：透明太阳能电池可用于为可穿戴设备供电设计。 （来源：普遍存在的能量）

压电晶体已被用于捕捉行走的运动并将其转换为动力，而其他正在研究的可穿戴系统技术则可以轻拍身体的运动。摩擦在一起的纤维可以通过衬衫材料中的导电纤维收集能量。

甚至可以从电磁波谱中清除无线电。英国的Drayson Technologies展示了一个原型系统，可捕获环境中的射频能量。在办公室或外部环境中测量的平均RF密度范围为20至35 nW/cm 2 ，Freevolt技术旨在通过新的多频段天线设计获得三分之一到一半的频率密度。供电。限制是天线的尺寸，因此在衣服中轻敲导电纤维将是增加捕获能量的一种方法。

尿液甚至可用于为燃料电池供电。布里斯托尔生物能源中心的研究人员使用微型微生物燃料电池（MFC）为一双袜子中的无线收发器供电。可穿戴式MFC系统将尿液泵入燃料电池并成功运行无线传输板，该板能够每两分钟向PC控制的接收器模块发送一条消息。

图2：研究人员已开发出可将尿液转化为能量的袜子，为无需电池的个人区域网络的无线收发器供电。 （资料来源：英格兰西部大学）

他们在积累和管理产生的微功率以及将能量收集功率与电池能量相结合方面都面临同样的挑战。这需要先进的电源管理算法，如凌力尔特公司的LTC3331和Maxim Integrated的MAX17710。

LTC3331集成了高压能量收集电源和由可充电电池供电的降压 - 升压DC/DC，为采用5 x 5 mm QFN封装的能量收集电源创建单输出电源足够小，可以挤进可穿戴设计。 10 mA分流器可以为电池提供简单的充电能量，同时低电池断开功能可以保护电池免受深度放电。

集成的全波桥式整流器和高压降压DC/DC可以提供能量从源和任何一个转换器可以将能量输送到单个输出，为可穿戴设计的主控制器和收发器供电。当收集的能量可用时，降压器工作，将电池的静态电流降至分流充电器所需的200 nA。这扩展了电池的使用，因为降压 - 升压转换器仅在收集的能量不可用时为设备供电。

图3显示了与能量收集源（如太阳能电池或压电电极）接口的典型电路水晶。这显示了当控制器和收发器处于睡眠模式时，源输入的变量如何用于为可穿戴系统的电池充电。

图3：使用凌力尔特公司的LTC3331从太阳能或压电源获取能量，并在可穿戴系统处于睡眠模式时为电池充电。

Maxim Integrated的MAX17710采用简单的升压调节器控制器来支持从低压太阳能电池和其他来源收集能量。这在脉冲收获模式下将能量收集至约1fW，在连续转换中收集至高达100mW。对于0.8 V收获源和4.1 V电池，只要收获源可以支持，该设备可以提供超过20 mA（80 mW）的电压。

图4：将太阳能电池等低压能量收集源与Maxim MAX17710电源管理连接。

图4显示了从低压太阳能电池阵列中采集的典型应用升压电路。这里，单元阵列对47 fF收集源电容器充电，直到FB上的电压超过FBon阈值。这会触发LX引脚拉低，强制电流通过外部电感。 LX以固定的1.0 MHz振荡，占空比为90％。每次器件释放LX时，电感强制LX的电压高于CHG，并为0.1 fF CHG引脚电容充电。当CHG升至电池电压以上时，即可充电。

可穿戴系统设计人员面临的挑战是确定电容器和电感器的尺寸，以确保它们适合小尺寸。 CHG引脚电容应最小化至0.1 fF以获得最高充电效率，但收集源电容必须至少比CHG引脚电容大70倍，以便在最坏情况下将充电引脚升压至最大充电电压。这在两个电容器之间产生平衡。将收集源电容器的尺寸增大到超过这个水平可以改善可穿戴设备中使用的低输入功率水平（《10 fW）的充电电路效率。但设计人员必须小心，不要将电容器增加到太大，以至于收获源无法克服电容器的泄漏。因此，建议最大值为47 fF，如表1所示。

ApplicationCharge Source CHG

电容（μF）最小LX

电感（μH）推荐

LX电感（μH）最小收获

源电容（μF）推荐的收益源电容器（μF）高电压0.22 N/AN/AN/AN/A低电压《10μW0.10.85 1.5 7.0 47 《！ - 重复以下tr以获得更多行 - - 》低电压》10μW0.10.85 1.5 7.0 7.0高压和低压《10μW0.220.85 1.5 15.4 47高压和低压》10μW0.220.85 1.5 15.4 15.4

还需要0.68 fH的最小电感值来防止超过LX引脚的最大额定电流，并且升压电路二极管必须是高速肖特基二极管，例如作为Diodes Incorporated的ZLLS410TA。当LX驱动器关闭时，二极管必须快速接通以将LX引脚电压上升钳位在6.0 V或更低。如果超过最大电压，可能会损坏LX引脚。

升压转换器直接从单元中获取其静态电流，以便它可以有效启动，因此只有在能够提供比升压转换器从单元消耗的功率更多的功率时才使用它。只要CHG电容足够大以将CHG升高到电池引脚上的电压以上，就可以保证这一点。

结论

将能量收集集成到可穿戴设备和个人区域网络中仍然是一个挑战。能源不断改进并产生更多电力，硅的电力需求正在下降，电源管理技术正在提供转换能源的有效方法。通过仔细确定电源管理器件周围的元件尺寸，它们可用于具有低压电源的可穿戴系统，如压电和太阳能电池。