薄、小、輕是對可穿戴設備的基本要求，也解釋了為什么可穿戴技術的短板是電池續航時間。傳統符合要求的電池有鋰電池紐扣電池，這種電池對傳感器和其他的小功率穿戴設備來說足夠了，但它很難跟上越來越多的可穿戴設備的腳步，比如健康帶和智能手表。現在大多數智能手表電池只夠用一天。

圖一： Apple Watch 是蘋果第一款可穿戴，具有革命性的新技術和開創性的用戶界面。(照片由蘋果公司提供 )

對這些類型的設備來說，提高電池續航是獲取市場份額的關鍵，這將是一個龐大的市場，預測將在 2018年達到 3.8 億個單位。能量收集，無線充電，電池管理，電源管理和低消耗解決方案都是在可穿戴設計中提高續航的可選擇方案。本文章將重點介紹有關這些領域的最新技術，來幫助可穿戴設備的設計師們創造優秀的電源方案并更好的做好電源分配工作。

能量收集電源管理

能量汲取于身體，如體溫和肢干的運動，或者來自環境如環境光線攜帶的僅微瓦到毫瓦單位的能量—不足以支撐智能手表的使用。德州儀器(TI)有一種設備，bq25570，它能把收集到的 300 到 400 毫瓦一下推到能給電池充電的 3 到 5V。雖然現在這不能產生足夠智能手表工作的電量，但至少能延長工作時間。“超低功耗高能量采集管理集成電路”如 bq25570，也包括一個提供能第二種電力運營系統的高效 nano-電源降壓變換器。

傳統電池充電(usb 或適配器 )

我們當然可以給可穿戴設備的電池用傳統方式充電，通過 usb 或適配器連接。TI 的新 bq25100 單電池鋰電池充電器提供了一個微型解決方案幾乎相當于現存電源方案的一半，同時它又能在成本敏感的可穿戴市場里支持低成本適配器的使用。充電器有高達 30V 的輸入電壓和 6.5V 的輸入電壓保護，除了其他的保護參數。

Maxim 的 MAX14676/76A 為可穿戴設備的電源充電管理提供了另一種選擇。高度集成的MAX14676/76A，我們可以把它描述為“可穿戴電源管理方案集成電路”，它不止包括線性的充電電路，也包括延長續航時大量的低消耗能源管理周邊節約主機板的空間。這些包括一個 1.8V 的低靜態電流(lq)200mA 的降壓調節器，3.2V 的低靜態電流 100mA 低壓差線性穩壓器(LDO)，2.0V“永遠打開”50μALDO，+5V 安全輸出 LDO，6.6V 低 Lq120μA 電荷泵，甚至 5V 到 17V 的輸出激增轉換器可支持廣泛種類的顯示選項。

bq25100 和 MAX14676/76A 都能與無線電力接收器/發射器搭配，提供可穿戴設備設計的無線充電能力。

兼容 Qi 標準的無線充電方案

無線充電由于其便捷性變得很受穿戴設備的歡迎。和傳統線性充電方式相比，消費者更傾向于直接把智能手表放在無線充電基座上，而不是到處找充電線和插座并連接三者為智能手表充電。因此，許多的無線充電方案適用于種類豐富的產品。以下重點介紹了德州儀器的方案。

TI 提供了一個無線充電方案的前沿設計，TIDA-00318，可適用于低功率穿戴設備。這種方案可以搭配之前我們介紹過的 bq25100 單電池鋰電池線性充電器，和一個 Qi compliant 無線電源接收器來滿足整個 Qicompliant 無線充電方案。Qi 是一個無線充電設備的國際互通標準;任何 Qi 認證的無線電源接收設備，如 Moto 360 智能手表，能夠在有 Qi 認證的所有基座上完成充電。因此，任何執行 TIDA-00318 的可穿戴設備都該獲得 Qi 認證在 Qi 充電基座上工作。TIDA-00318 為 135mA 充電規格而設計，而且體積很小，僅為 5x15mm2。

對一個更小的可穿戴設備無線充電接收器方案，TI 有 TIDA-00329 參考設計。它只有 5.23mm x 5.48mm合并了你 bq51003 Qi compliant 無線電源接收器或 bq51050B/51B Qi compliant 無線充電。這種微型設計能提供高達 2W 的電量。

在無線電源發射器上，或者可穿戴設備無線充電方案充電基座的一面，TI 提供了 TIDA-00334 參考設計。在小型可穿戴設備發射器的設計上采用了 bq500212A IC。微型 usb 連接器的電源是 5V。低功率設計支持接收器的輸出功率高達 2.5W。

TIDA-00334 無線發射器參考設計陳列在一個 30mm 的區域內，匹配 Wurth coil760308101103 的圓直徑，只比一個 15 分美元或 2 歐硬幣大一點。

圖二： Wurth Elektronik‘s WE-WPCC 無線充電接受器線圈符合 WPC 的 Qi 標準 。

可穿戴設備中的電源管理技術

超低功耗的電源轉換是實現可穿戴設備最佳電源續航的關鍵。以下是一些最新的低功率產品或者高效直流-直流轉換產品。

TI 的 TPS727xx 系列，250mA LDOs 特色是有著極小的僅為 7.9μA 靜態電流，低漏失電流(100mA 典型電壓為 65mV，200mA 典型電壓為 130mV，250mA 典型電壓為 163mV)，寬輸出電壓和負載瞬態響應。LDO 還有一個特點是有著高電源電壓抑制比(PSRR)，在 RF 應用上有著 1kHz 70dB 的平穩表現，有著小的低成本的 10μA 陶瓷電容器。

如今 TI 推出的還有 TPS82740B 200mA 升降壓轉換模塊，能提供 95%的轉換率，在工作時僅消耗360nA lq，而安靜時更僅為 70nA。小型模塊可用于完全整合，合并了交換調整器，感應器和輸入/輸出電容 9-bump MicroSiP?組件，實現了僅 6.7mm2 大小的尺寸。

圖 3： 低功率 TPS82740x 360nA Micro SIP 升降壓轉換器模塊

升壓轉換通常不如降壓轉換有效率。不過，在各種系統電路中對電池升壓很常見，尤其是顯示電路，Maxim 有新 1A 升壓轉換器，MAX8627 能使單電池鋰電池的輸出電壓從 3V 升高到 5V，并可實現高達95%的轉換率而只消耗 20μA lq。Silicon Labs 現在有 TS33x 升壓轉換器，擁有行業領導的低至 150nA的 lq。TS33x 增加輸入電壓從 0.9V 到 3.6V，并且有 8 個可選擇的范圍為 1.8V 到 5V 的輸出電壓。

藍牙，微控制器和其它低功率方案

事實上，當試圖延長可穿戴設備電池續航時系統中的所有東西都需要考慮到。

一個常見的省電的方式就是關閉一些高耗電的功能，如一些處理和顯示功能，例如智能手表、平板或電腦。Bluetooth? Smart 或者叫低耗藍牙，已經是大多數新智能手表中的標配，因此是可穿戴設備無線交流方式標準。藍牙也可用于從智能手機傳送信息到智能手表，并且 TI 提供了一個“藍牙可穿戴手表發展系統”叫做 TI Meta Watch? 確保了相關手表設備的快速發展。Meta Watch SDK/API 使在手表上從手機應用或網絡服務上接受信息很容易。開發系統包括有顯示屏的智能手表，和一個 3 ATM 防水不銹鋼外殼，皮帶表，水晶鏡面，震動電機，三軸加速計和環境光感應器。

圖 4 ：德州儀器 Meta Watch? Bluetooth? 可穿戴手表開發系統確保了 “ 可連接手表 ” 應用的快速發展 。

Meta 手表平臺已為低功耗優化，基于 TI16 位的 MSP430?超低功率的微控制器 (MCU)和 CC2564 藍牙主控器界面方案。

選擇 MCU 對可穿戴設備的電源管理很重要，高效的 MCU 能加速導入數據并迅速進入睡眠狀態，保存電量。低耗能睡眠模式能有效減少電源消耗。可穿戴設備的設計者比之前有更多 MCU 的選擇，32 位比 16位更有成本競爭力。為成本和功率敏感的 MCU 優化的 ARM的 Cortex-M 系列 32 位處理器核心已經能預見到在可穿戴市場的成功。從超低功耗的 Cortex-M0 和 M0+到高性能的 Cortex-M7，ARM Cortex-M 系列可以提供能滿足不同需求的各種穿戴設備。基于 ARM-Cortex-M 系列的 MCU 如今許多廠商都可提供，包括德州儀器，和 STMMicroelectronics，有著 STM32 MCU 巨大的生產線，包括 STM32L1 和 L0 超低功耗 MCU。

最后，一定要考慮到可穿戴設備中無數傳感器的電源管理。傳感器技術是加速可穿戴市場發展的催化劑。但是我們不能忘記傳感器的外圍電路。STMicro 可用于有低功耗傳感器信號調理的可穿戴傳感器，它的QA4NP 低功耗四通道運算放大器，每通道只消耗 580nA(在 1.8V 的電源供給下)。

以上只是對低功耗電源管理技術的管中窺豹，和產品協作來設計能滿足可穿戴市場超低功耗電源系統是激發這個市場的關鍵，有必要認識到超低功耗設備不僅對穿戴設備很重要，新的低耗技術對那些依賴電池供電和能量收集供電的應用也很重要。