基于能量收集原理的可穿戴设备电路方案设计

2019年08月13日 作者:Teardown

管理和存储

即使在通过太阳能或者振动传感器产生电能后,仍需克服几个难题。 产生的电流可能非常小并具有间歇性特点,而且收集后才能使用。 同样,来自电池的电流必须经过管理,然后才能提供给可穿戴设计中的硅晶片。 这就需要把存储元件(从超级电容器到电池)与新一代电源管理芯片组合使用,这种芯片已针对能量收集应用进行了优化,且可在如此低的电流下工作。

针对可穿戴系统的新型更高密度电池技术已在开发之中,它能利用能量收集源的涓流充电功能,无需损耗电池的化学材料,且器件体积很小。

Linear Technologies 已开发出一款多功能能量收集演示板。利用该演示板,可穿戴系统设计人员可评估所有不同的能量收集源、评估每种能量收集源的电源管理如何不同。 DC2048A 可在设计初期利用压电、太阳能、热电能量源或其它任何高阻抗 AC 或 DC 电源。

该评估板内含四个独立芯片,用于处理不同的能量源和管理工作。 LTC3588-1 压电能量收集电源集成了一个低损耗全波桥式整流器和一个高效率降压转换器,以适应诸如压电或太阳能等高输出阻抗能量源。 该器件具有超低静态电流欠电压锁定 (UVLO) 模式以及一个宽滞后窗口,因此能在输入电容器上一直累积电荷,直到降压转换器能有效地将已存储的一部分电荷传输至电源管理器。 该器件的四个输出电压 (1.8 V、2.5 V、3.3 V 和 3.6 V)均可通过引脚选择,且输出高达 100 mA 的连续电流,但也可以选择输出电容器来匹配较高输出电流脉冲,以适应如智能手表等性能更高的设计。 设定为 20 V 的输入保护分流器能在给定输入电容下存储更多能量。

另一方面,LTC3108 是一款可用于热电发电机的超低电压 DC/DC 升压转换器。 这种升压型拓扑结构的输入电压可低至 20mA 并采用一个 2.2 V LDO 向外部处理器供电,而主输出则经过编程后用作四个固定电压中的一个,向无线链路供电。 储能电容器在没有输入电压源时提供电能,这种设计可确保输出存储电容器快速充电,以使供电平稳。

该评估板上还包括带功率点控制和 LDO 稳压器的 LTC3105 升压 DC/DC 转换器、LTC3459 10 V 微功耗同步升压转换器和 LTC2935-2/LTC2935-4 超低功耗监控器,后者还包括针对电源故障输出的可选择阈值,以方便开发人员密切监视电源。 有了所有这些设备,就能利用不同的能量收集源评估各种电源管理方案。

该评估板还提供多个接口和变送器针座,因此简化了针座与开发板的连接。此外提供的跳线还可以用不同方式对该板进行配置。 该板标配三个跳线,最大可安装十个。

尺寸和成本

这些技术虽合理完善,但在可穿戴设计方面却一直存在一个挑战——如何减小体积、提升性能,但又不增加成本。 利用新型电池化学材料,现在的电池已能做到外形更薄、容量更大,这有助于在严格限制尺寸和重量的可穿戴设计中延长电池寿命。 作为一种已在使用的新型材料和制造技术,Peltier 和 Seebeck 效应热电发电机的体积正变得越来越小,与此同时,太阳能电池技术也在提升效率,减小重量,以便在设计中更多地使用太阳能电池,提供更多电力。

作为设计核心的硅器件也在减小体积,降低功耗。 随着功耗和电压的降低,微处理器、无线节点和电源管理芯片的晶模面积在不断减小,让设计人员能更多地满足可穿戴设计要求。

总结

现在,可穿戴设备开发人员能利用很多能量源从环境中收集能量,同时,对于电池使用寿命和高性能的要求正推动研究人员探索新的方法。 从简单的健身传感器,到作为其它许多设备的集线器的全功能智能手表,人们已经找到多种新的方法利用太阳能、热或振动能量来延长这些可穿戴设计中的电池寿命。 然而,这只是故事的一章。 电池技术和电源管理方面的开发已赶上这些能量源的发展步伐,提供的电源能够良好地匹配整个设计的要求。 电池充电间隔是几天、几周还是几个月,都不会影响可穿戴技术的功能。

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