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感測器/MEMS  

超低IQ晶片驅動穿戴裝置革命

上網時間: 2015年07月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:可穿戴式裝置  MEMS感測器  超低靜態電流  LTC3388  LTC3553 

作者:Steve Knoth,凌力爾特電源產品部資深產品行銷工程師

從Google Glass到先進的健身活動追蹤器、頭戴式影像顯示器以及血壓監測儀,可穿戴式裝置已經進入了軍事、工業和高階消費電子產品市場。這一類裝置正迅速地改善性能並且變得更‘聰明’。我們可以把‘穿戴式產品’定義為一種可讓使用者長時間配戴並因而在某種程度上改善使用者體驗的產品。智慧型可穿戴式產品更為裝置增添了連線和獨立處理的能力。

據PwC估計,穿戴式裝置市場的規模將在2018年時成長達1.3億台。市調公司IHS Electronics and Media則將可穿戴式裝置分為5個子類別應用:健身/健康(活動監測儀、健身腕帶、計步器和心率監測儀)、保健/醫療(脈搏血氧計、助聽器和血壓監測儀)、資訊娛樂(智慧眼鏡/護目鏡、智慧手錶和成像裝置)、軍事(頭戴式顯示器、外骨骼和智慧服裝)以及工業(配戴式終端)。

推動這些類別普及率逐步提高的市場因素各不相同。在健康和醫療領域中,包括預期的壽命不斷延長、渴望延長健康的生活並減少住院時間。針對軍事領域,則期望改善情勢感知、行軍地圖/路線、作戰效能和挽救生命。對於工業應用,主要的推動因素則是改善產線效率和追蹤能力。最後,在資訊娛樂領域,具有先進成像和虛擬實境(VR)技術的爆炸性遊戲市場成長,以及越來越多能與智慧型手機實現無線連接,正成為‘物聯網’(IoT)的一部份。

智慧穿戴裝置架構及其問題

那麼,智慧型穿戴式裝置的內部結構如何?我們可以把它想像成一種微型的嵌入式系統。確切的區分當然取決於裝置本身。不過,一般來說,智慧型穿戴裝置的核心架構是由以下元件組成的:微處理器/微控制器(MCU)或類似的IC、某類型的微機電感測器(MEMS)、小型機械致動器、全球定位系統(GPS)IC、藍牙/蜂巢式連接、成像電子線路、LED、運算資源、電池或電池組,以及支援的電子電路。

穿戴式裝置的首要目標是擁有精巧外形與重量輕,以實現可穿著性、舒適性,並提供超低的能耗以延長電池執行時間。可穿戴式裝置無疑是‘低發熱量’(cool)的產品,不過,在以極小的汲取電流為電池充電時,同時為其進行高效和準確的供電則完全是另一回事。

有關採用IC為智慧型可穿戴式裝置供電的一些主要議題如下:

•在以電池供電的裝置中,IC的低電流消耗對於延長裝置的執行時間至關重要。理想的選擇是微功率或甚至是毫微功率轉換IC。

•有些穿戴式裝置架構採用多電池方案,例如兩顆鋰(8.4V)電池,而非單顆鋰電池(4.2V)。這增加了電池容量並提供更長的系統執行時間,但必須使用一個較高電壓的IC。

•MEMS感測器需要從安靜的穩壓電源供電。處於工作狀態的致動器也可能受益。LDO因具有低輸出漣波而適用於此類電源軌。

•藍牙/RF連接系統電源軌也要求低雜訊。低壓差穩壓器或(由於輸出電流可能很高)LDO後置開關穩壓器是一種不錯的選擇。

•處理器電源(穿戴式裝置的‘大腦’)。例如TI OMAP、ARM Cortex MCU、DSP、GPS晶片或FPGA具有多種低電壓軌,其範圍從低位準至高電流,均可由LDO或開關穩壓器供電。

•電池需要維護與饋電,以避免因過度充電而導致電池使用壽命縮短。採用內建充電終止演算法的準確電池充電器可確保較長的電池壽命。

•精巧的尺寸和重量輕可使用戶在配載穿戴式裝置時感覺更舒服。精巧封裝中的IC可協助實現較小的解決方案佔位面積,從而使裝置擁有纖薄精巧的外形。

•功能豐富的穿戴式裝置意味著需要很多的系統電源軌。多輸出穩壓器或電源管理晶片(PMIC)可以有效地滿足這種要求。最後,內建電池充電器的精巧型IC可提供較高的整合度和彈性。

超低靜態電流的IC解決方案

一款能夠滿足應用需求以及解決上述相關議題的IC解決方案必須具備以下諸多特性:

•工作模式和關機模式下均可提供超低靜態電流

•寬廣的輸入電壓範圍,可適應多種電源

•能夠有效地為多個系統電壓軌供電

•準確的電池充電電壓,以防止發生過度充電

•可為常見的電池化學成份(例如:鋰)充電

•利用內建充電終止演算法實現簡單和自動充電作業(無需MCU)

•佔位面積精巧的小型解決方案

•提供先進封裝,以改善熱性能和空間效率

例如,凌力爾特(Linear Technology)日前推出一款超低靜態電流(IQ)的LTC3388/-x降壓穩壓器系列及其LTC3553組合式降壓穩壓器與單顆鋰電池充電器PMIC具備上述的多種特性。

超低靜態電流同步降壓轉換器LTC3388可從2.7V至20V輸入電源提供高達50mA的連續輸出電流。LTC3388的無負載工作電流僅為720nA,使其非常適合眾多的電池供電型和低靜態功率應用,包括‘保持運作’(keep-alive)電源和穿戴式產品。LTC3388運用遲滯同步整流,以便在寬廣負載電流範圍內最佳化效率。它可為15μA至50mA的負載提供超過90%的效率,而且在穩定狀態時僅需720nA無負載靜態電流,從而延長了電池壽命。此外,3mmx3mm DFN封裝(或MSOP-10)只要與5個外部元件相結合就能為多種低功率應用提供一個非常簡單和纖巧的解決方案(如圖1所示)。


圖1:LTC3388-1/-3典型應用電路

利用PMIC實現更高整合度

LTC3553是一款微功率多功能PMIC解決方案,適用於基於鋰離子/鋰聚合物電池的可攜式應用。LTC3553在精巧的3mmx3mm QFN封裝中整合了一個USB相容的線性PowerPath控制管理器、一個獨立的電池充電器、200mA的高效率同步降壓型穩壓器、150mA低壓差LDO和按鍵式控制器(典型應用電路如圖2)。對於那些在待機模式中以低電流運作的應用,該IC的接腳可選待機模式將電池漏電流降至僅12μA左右,同時確保所有輸出處於穩定狀態(如圖3 所示的曲線圖)。LTC3553適用於個人導航裝置(PND)、媒體播放機、可攜式醫療和工業裝置,以及其他採用小容量電池並具低功耗的小電池供電型可攜式裝置應用。


圖2:LTC3553簡化應用原理圖


圖3:LTC3553電池漏電流運作

結語

智慧型穿戴式裝置市場正呈現爆炸性的成長態勢,並涵蓋多種因應健康和健身、醫療、資訊娛樂、軍事和工業應用領域的產品。智慧型穿戴式裝置的核心架構雖然取決於產品類型,但基本上可歸結為一個MCU、MEMS感測器、無線連接、電池以及支援的電子電路。

為低電流穿戴式裝置供電十分具有挑戰性。不過,透過超低靜態電流的能量採集降壓穩壓器(如凌力爾特LTC3388)以及可實現更高整合度的鋰電池充電器(如LTC3553)和降壓穩壓器/LDO的組合式PMIC等元件,可望為未來的智慧穿戴裝置提升工作壽命與總體性能。





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