可穿戴設備打造的電源管理解決方案

TI認為在可穿戴設備中，電池通常非常小(例如100 mAh)，設備又需要持續(xù)幾天甚至是幾個星期而又不用充電，因此功耗是一個關鍵的設計考慮因素。因此，高功率轉換效率將是一個關鍵的設計要素。時尚的手腕式可穿戴設備要想保持其酷炫特點，電子電路需要保持在極小的尺寸以內(nèi)。這推動了高水平的包括電源管理IC在內(nèi)的全器件集成。此外，功率器件的占板面積和封裝應做到盡可能小。另外，可穿戴設備可能采用新型電源，例如對太陽能或熱能進行能量采集。同時，某些產(chǎn)品可能更傾向于非接觸式充電。這些非接觸式充電當中包括了無線充電。

對于可穿戴電源目前存在的設計挑戰(zhàn)，總結了以下五點。

1、在鋰電池過充或溫度過高會導致起火，鋰電池的安全性問題仍讓人擔憂的同時，充電器應具有幾乎所有類型的安全設計，包括過壓保護、過流保護、過溫保護、短路保護和低溫充電等，甚至是在充電器IC及解決方案尺寸必須保持非常小的情況下也是如此。

2、因為可穿戴設備中的電池較小，充電精度的需求提高使為這些小電池充電并非易事。充電器必須能夠提供更小的充電截止電流。換言之，充電器的精度應該更高，達mA級。例如，在智能手機系統(tǒng)中，2,000 mAh電池的正常充電電流為1.2 A(0.6 C)，充電截止電流應為正常充電電流的1/10～1/20，即120 mA～60 mA。然而在手環(huán)中，由于電池容量可能為100 mAh，正常充電電流將為60 mA，充電截止電流應為6 mA～3 mA。滿足這種要求的充電器器件很難找到。

3、可穿戴設備應具有較長續(xù)航時間。通常，如果消費者每天都要為設備充電，他們就會不高興。在現(xiàn)在許多最好的智能手機都必須一兩天充電一次的情況下，終端用戶顯然期待能夠有所改善。整個電源管理應能夠提供高效率的電源轉換系統(tǒng)，這包括：穩(wěn)壓器效率，以及穩(wěn)壓器和電池充電器應提供低靜態(tài)電流、低待機電流和低漏電流。具有極低漏電流和待機電流以及低靜態(tài)電流的電源管理器件更加難于設計。

4、甚至是現(xiàn)今最好的電池技術也不能完全解決電池運行時間的訴求。我們需要在使用可穿戴設備的同時，開發(fā)新的電源。新型電源的瓶頸在于其轉換為可用功率時，功率密度和轉換效率極低。

5、在可穿戴設備中，因為濕度、腐蝕等關系，許多產(chǎn)品的失效點為充電/信號連接器。

針對這些設計挑戰(zhàn)，TI 的應對措施如下。

1、TI的充電器IC和電量計IC為工作中的電池提供了最廣泛的保護和監(jiān)控。TI在保持相同水平保護功能的同時縮小半導體尺寸的過程中取得了成功。例如，bq24040和bq25100都與JEITA標準兼容。兩者都具有Ts輸入用于監(jiān)控電池熱敏電阻，以保證充電溫度在合適范圍內(nèi)。bq24040尺寸為2mm×2mm，并且在2014 年中期推出bq25100之前是最小的充電器。bq25100尺寸為1.6 mm×0.9 mm，與0603尺寸的電容相當(圖1)。

2、主流可穿戴設備品牌采用TIbq24040/45或bq24232(帶電源通路)充電器IC，是因為它們的尺寸較小(分別為2mm×2mm和3mm×3mm)、精度較高。并且在適配器連接時，甚至是電池電量耗盡時，bq24232允許系統(tǒng)立即上電。在先進的可穿戴設計中，精度和電源通路特性最受青睞。另外，bq25100允許正常充電電流最小為10 mA，并且能夠將充電截止電流或預充電電流設置為1mA，這是針對可穿戴設備的業(yè)界最高精度。

3、為了在電源管理系統(tǒng)中降低功耗，TI針對可穿戴設備在極低的流耗下工作改造了這些器件。例如，bq25100在工作模式下的靜態(tài)電流小于1μA，并且在bq25100處于關閉模式時，電池漏電流低至75 nA。同時，“Nano -Buck”TPS62736降壓轉換器的靜態(tài)電流極低，僅為380nA，在15nA低負載的情況下，能夠幫助實現(xiàn)超過90%的效率。與在低負載條件下的傳統(tǒng)DC/DC轉換相比，這能夠延長30%～50%的電池運行時間。

4、能量采集技術刺激了可穿戴設備的新應用。TPS25504能夠從單個太陽能電池(約0.3～0.6V)或TEG(熱電發(fā)生器，0.3V)等低能量源中獲取能量。它對啟動電壓的要求較低，僅為0.33V，并且能夠在低至80 mV的電壓下工作。其靜態(tài)電流也很低，僅為330nA。

5、隨著Moto360等應用取得極大成功，無線充電變成了可穿戴設備，尤其是智能手表的取代性選擇方案。使用無線充電可使可穿戴設備無需使用連接器，做到更好地密封;無線充電有利于推廣帶有定制底座的易于充電的使用案例;無線充電Rx推薦是Qi兼容的，這樣可穿戴設備能夠在任何標準的Qi充電器上進行充電. Tx可以是Qi兼容的,但有些設計限于尺寸或特殊形狀要求，TX線圈需要定制(非Qi規(guī)范)。 ST：小體積、單芯片電源管理方案是發(fā)展趨勢

意法半導體(ST)認為可穿戴設備有以下三點趨勢。第一，超低靜態(tài)電流和小封裝電源管理單芯片是個趨勢。該電源管理芯片需集成線性充電、LDO和DC/DC等功能。LDO和DC/DC給其他模塊供電，比如藍牙、傳感器、MCU、GPS等。比如，STNS01是一個集成路徑管理、3 .1V/ 100mA超低靜態(tài)電流LDO、線性充電和過放保護的電源管理芯片。整個芯片尺寸只有3mm×3mm ,同時待機功耗只有100 nA。路徑管理可以保證即插即用，和減少電池充放電次數(shù)以延長電池壽命。3.1V/100mA超低靜態(tài)電流LDO在沒有負載時可以實現(xiàn)1nA的靜態(tài)電流。線性充電的充電電流可以通過外圍電阻設置充電電流從15mA～200mA，可以滿足所有各種可穿戴設備對充電電流的要求。