可穿戴設(shè)備中無需維護(hù)的電池如何實(shí)現(xiàn)

近年來，新的可穿戴設(shè)備，如智能手表和智能眼鏡等一直不斷地出現(xiàn)在我們的生活中。要弄清可穿戴設(shè)備應(yīng)用的潛力，我們只需觀察全球市場的可穿戴設(shè)備數(shù)量——該數(shù)字預(yù)計(jì)將從2013年的560萬增長到2020年的1.24億(見圖1)。有幾個(gè)因素正在推動(dòng)這一增長。在大多數(shù)發(fā)達(dá)國家，智能手機(jī)市場幾乎已經(jīng)飽和，各制造商已經(jīng)開始研發(fā)能夠開創(chuàng)全新發(fā)展趨勢的設(shè)備，如能夠連接作為外圍設(shè)備的可穿戴設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的出現(xiàn)也推動(dòng)了這一發(fā)展趨勢。同時(shí)，半導(dǎo)體技術(shù)使得具有更多功能、更小型化的設(shè)備以更高速度生產(chǎn)，也推動(dòng)了上述發(fā)展趨勢。

2/3的可穿戴設(shè)備為佩戴在身上的終端設(shè)備，如手表和眼鏡等，而其余的可穿戴設(shè)備有些可連接到鞋子、衣服或包上。此外，人們正在探討將設(shè)備植入在人體中并連接到人體大腦上的可能性。今后，可穿戴設(shè)備有望將科幻電影中描述的場景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。雖然可穿戴設(shè)備的發(fā)展?jié)摿薮?，但仍然存在一個(gè)很大的問題，那就是我們?cè)撊绾卧跓o需經(jīng)常給電池充電的情況下向這些設(shè)備供電?該解決方案就是進(jìn)行能量采集，賽普拉斯(Cypress)開發(fā)板為我們提供了一個(gè)方便的選擇。

電源問題

雖然可穿戴設(shè)備的創(chuàng)新正在不斷加速，但電池技術(shù)領(lǐng)域仍處于落后狀態(tài)。特別是電池壽命帶來了嚴(yán)重問題。與智能手機(jī)不同，在我們的日常生活中，眼鏡、手表、鞋子和衣服等類似物品都不能進(jìn)行充電。如果今后需要對(duì)這些物品頻繁充電，人們會(huì)覺得非常麻煩?？纱┐髟O(shè)備需要一塊使用壽命足夠長的電池，以確保我們幾乎無需把這些設(shè)備拿下來充電，從而使我們的身體幾乎意識(shí)不到它們的存在。

可穿戴設(shè)備通常要求體積小、質(zhì)量輕。問題是，當(dāng)前市場上的電池幾乎面臨著同一個(gè)問題，那就是電池體積越小，其能量密度也就越小。半導(dǎo)體仍然能夠跟上摩爾定律，每年以200%的速率加快小型化的發(fā)展速度。與此同時(shí)，在鋰離子二次電池推出后的20年來，電池技術(shù)僅僅將每單位體積的能量密度提升了約350%，這還不到半導(dǎo)體小型化速度的10%。

如果說我們確實(shí)已證實(shí)電池技術(shù)的進(jìn)步過于緩慢，那么我們理所當(dāng)然地要尋找其他解決方案。這促使我們考慮最近出現(xiàn)的一種被稱為能量采集的全新技術(shù)。能量采集包括收集或采集我們周圍的能源(如光、振動(dòng)和熱量)所產(chǎn)生的少量環(huán)保能源并將其轉(zhuǎn)換為電能。我們需要研究該技術(shù)是否能為我們提供一種能夠延長可穿戴設(shè)備的電池使用壽命，甚至無需電池便可使可穿戴設(shè)備運(yùn)行的方法。需要注意的是，能量采集技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟。例如，在不安裝電池的情況下，它還無法使腕表式可穿戴設(shè)備運(yùn)行。盡管如此，它對(duì)于一些設(shè)備，如用于將簡單的數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)從而記錄日?；顒?dòng)的設(shè)備來說，仍是一個(gè)理想的選擇方案。

加快能量采集技術(shù)的應(yīng)用

能量采集技術(shù)為許多可穿戴設(shè)備提供了一個(gè)非常具有發(fā)展前景的電源解決方案。不過，許多工程師對(duì)此技術(shù)還不熟悉，并且該技術(shù)的實(shí)施可能會(huì)耗費(fèi)許多寶貴的時(shí)間，而開發(fā)團(tuán)隊(duì)本可用這些時(shí)間來增強(qiáng)其產(chǎn)品的核心價(jià)值主張。賽普拉斯的MB39C811-EVBSK-02 Bluetooth Smart Beacon入門套件為嵌入式工程師提供了一個(gè)簡單、快捷地嘗試能量采集的方案選擇。

該套件包括作為標(biāo)準(zhǔn)功能的賽普拉斯MB39C811電源管理集成電路(IC)，以及一個(gè)允許在用戶區(qū)域進(jìn)行程序重寫的Bluetooth Smart模塊和一個(gè)用于操作檢查室內(nèi)使用的太陽能電池板(參見圖2)。MB39C811是集成了一個(gè)低功耗的全波整流橋和一個(gè)比較器系統(tǒng)的高效率降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器IC。當(dāng)連接到一個(gè)單獨(dú)提供的振動(dòng)采集器，如壓電裝置時(shí)，入門套件可在使用振動(dòng)能量和室內(nèi)光能的混合模式下操作。

該套件還包括一塊電路板，上面帶有預(yù)先寫好的用于操作藍(lán)牙智能信標(biāo)的示例程序，當(dāng)電路板被放置在辦公照明條件下時(shí)(在桌子上通常為400至500lux)，該電路板會(huì)僅使用從其太陽能電池板上獲得的能量將藍(lán)牙智能Beacon數(shù)據(jù)包自動(dòng)傳送到智能手機(jī)上(參見圖3)。在500lux的環(huán)境下，傳送間隔被設(shè)定為1秒。