智慧型IoT裝置市場(chǎng)正出現(xiàn)爆炸性成長(zhǎng)，并衍生出健身、醫(yī)療、軍事和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的多種產(chǎn)品。盡管為小電流的IoT/穿戴式裝置供電極具挑戰(zhàn)性，透過(guò)先進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換IC，可讓低功率級(jí)實(shí)現(xiàn)高性能。
在功率范圍的低端，存在能量采集系統(tǒng)的毫微功率(nanopower)轉(zhuǎn)換需求，例如物聯(lián)網(wǎng)(IoT)裝置中常見(jiàn)的能量采集系統(tǒng)。在此類系統(tǒng)中，必須使用能夠處理非常低功率與電流的電源轉(zhuǎn)換IC。這些功率和電流可能分別低至數(shù)十微瓦(mW)和毫微安(nA)。
最新和現(xiàn)成的能量采集(EH)技術(shù)，例如振動(dòng)能量采集產(chǎn)品以及室內(nèi)或穿戴式太陽(yáng)光電(PV)電池，在典型作業(yè)條件下產(chǎn)生mW級(jí)的功率。盡管這一量級(jí)的功率或許看似有限，但像無(wú)線感測(cè)器節(jié)點(diǎn)(WSN)等能量采集元件在若干年內(nèi)持續(xù)工作，可能意味著，無(wú)論是所提供的能量還是單位能量成本，能量采集產(chǎn)品大致上相當(dāng)于壽命較長(zhǎng)的主電池。
雖然主電池聲稱能夠提供長(zhǎng)達(dá)10年的壽命，但這在極大程度上取決于從其而來(lái)的功率級(jí)以及汲取功率的頻率。擁有能量采集能力的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡后再充電，而僅由主電池供電的系統(tǒng)卻做不到這一點(diǎn)。不過(guò)，大多數(shù)的建置方案都將使用某種環(huán)境能量來(lái)源作為主電源，而用主電池作為環(huán)境能源的補(bǔ)充，當(dāng)環(huán)境能量源消失或中斷時(shí)切換至主電池。這可被認(rèn)為是一種“電池壽命延長(zhǎng)器”的功能，可為系統(tǒng)提供很長(zhǎng)的工作壽命——這接近于電池的工作壽命，對(duì)于鋰亞硫醯氯(Li-SOCI2)化學(xué)電池來(lái)說(shuō)通常約為12年。
當(dāng)然，能量采集電源所提供的能量取決于該電源能工作多長(zhǎng)的時(shí)間。因此，能量采集電源的主要比較指標(biāo)是功率密度，而不是能量密度。能量采集的可用功率通常很低、可變，而且是不可預(yù)測(cè)的，所以常常使用連接至采集器和輔助電源的混合結(jié)構(gòu)。輔助電源可能是一塊可再充電電池或是一個(gè)儲(chǔ)存電容器。采集器由于能量供應(yīng)無(wú)限以及功率不足，因而成為系統(tǒng)的能量源。輔助電力儲(chǔ)存庫(kù)(不是電池就是電容器)產(chǎn)生較大的輸出功率，但儲(chǔ)存較少的能量，在需要時(shí)供電，而在其他情況下則定期從能量采集器接收電荷。因此，在沒(méi)有環(huán)境能量可供采集時(shí)，輔助電力儲(chǔ)存器可用來(lái)為下游電子系統(tǒng)或WSN供電。
IoT驅(qū)動(dòng)需求
支援IoT的無(wú)線感測(cè)器不斷迅速增加，提高了專為較低功率無(wú)線裝置量身訂制的小型、精巧和高效率電源轉(zhuǎn)換器需求。最近在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域出現(xiàn)的新興市場(chǎng)之一，就是穿戴式電子產(chǎn)品市場(chǎng)，從能量采集的角度來(lái)看，這個(gè)市場(chǎng)尤其令人感興趣。雖然仍處于萌芽期，但是該市場(chǎng)包括了諸如FitBit、Google Glass和Apple Watch智慧手表等產(chǎn)品。當(dāng)然，可穿戴技術(shù)不僅因應(yīng)人類需求，還有許多應(yīng)用也適于動(dòng)物。近期出現(xiàn)的例子包括超音波斑塊治療、針對(duì)馬匹的電子馬鞍優(yōu)化，以及為其他動(dòng)物提供能進(jìn)行追蹤、辨識(shí)與診斷等任務(wù)的頸圈。
不管是何種應(yīng)用，此類裝置大多需要一個(gè)電池作為主電源。然而，對(duì)于因應(yīng)人類需求的應(yīng)用，似乎不久就會(huì)出現(xiàn)可利用太陽(yáng)能產(chǎn)生電力的材料。您可以把這種材料做成的衣服想像成“電力”套裝。在這一研發(fā)領(lǐng)域處于前鋒的一家公司正在實(shí)施歐盟(EU)資助的計(jì)劃Dephotex，開(kāi)發(fā)出輕量且軟性的穿戴式PV材料。很自然地，這種材料本身會(huì)將光子轉(zhuǎn)換成電能，然后讓使用者穿戴后用于為各種電子裝置供電，或者為這些裝置的主電池充電，甚至兩種功能兼而有之。
IoT的一個(gè)明顯應(yīng)用是健康監(jiān)測(cè)，不管是針對(duì)醫(yī)院的病患或是十分重視健康的個(gè)人。生物統(tǒng)計(jì)資料是衡量人體基本機(jī)能的重要資訊，包括體溫、脈搏/心率、呼吸速率和血壓。這些資料至關(guān)重要，因?yàn)檫@些生命征象如果出現(xiàn)不良的變化，或許表示健康狀況下降，反之亦然。為了測(cè)量這些生物統(tǒng)計(jì)資料，醫(yī)院和診所中當(dāng)然配備了齊全、昂貴的裝置。不過(guò)，想像一下，假如不必去醫(yī)療院所就能有效地測(cè)量此類生物統(tǒng)計(jì)資料，而且不用花費(fèi)太多，那么能為人們的生活品質(zhì)帶來(lái)多大的改善呢？例如在家中或工作場(chǎng)所，可以按照即時(shí)健康情況隨時(shí)地調(diào)整生活和行為方式，從而改善健康水準(zhǔn)并可能延長(zhǎng)甚至挽救生命。
另一個(gè)例子也許是使用外骨骼以協(xié)助提高截癱患者的可動(dòng)性，如圖1所示。幸運(yùn)的是，裝置成本大幅降低，以及先進(jìn)的感測(cè)器技術(shù)不斷進(jìn)步，使得智慧醫(yī)療和健康穿戴式裝置得以持續(xù)快速增加。這類穿戴式裝置包括較簡(jiǎn)單并可佩戴在身上的‘單一生命征象’測(cè)量產(chǎn)品，也包括較復(fù)雜和到處都是感測(cè)器的人體外骨骼裝置。不過(guò)，從電源轉(zhuǎn)換IC的角度來(lái)看，劃分這些穿戴式裝置的組成以及為這些裝置高效供電也不是什么容易的事。
那么，典型的智慧穿戴式裝置運(yùn)作靠什么驅(qū)動(dòng)呢？可以把它想像成一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)。準(zhǔn)確地劃分其組成顯然取決于裝置本身；不過(guò)，一般來(lái)說(shuō)，智慧穿戴裝置的核心架構(gòu)包括下列部份：
微處理器、微控制器或類似的IC
微機(jī)電感測(cè)器(MEMS)
小型機(jī)械致動(dòng)器
全球定位系統(tǒng)(GPS)IC
藍(lán)牙/蜂巢式/Wi-Fi連接，以進(jìn)行資料的采集/處理和同步
成像電子元件、LED
運(yùn)算資源
可再充電電池或主(不可再充電)電池或電池組
支援性電子元件
因此，穿戴式裝置的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)顯然是精巧外形尺寸、重量很輕，以實(shí)現(xiàn)可穿戴性和舒適感，并擁有超低能耗以延長(zhǎng)電池執(zhí)行時(shí)間/壽命。
實(shí)用型電源轉(zhuǎn)換解決方案
為了因應(yīng)小電流穿戴式裝置供電帶來(lái)的挑戰(zhàn)，凌力爾特科技(Linear Technology)提供了一系列的先進(jìn)產(chǎn)品，這些電源轉(zhuǎn)換IC擁有可在IoT中實(shí)現(xiàn)低功率能量采集所需的特色和性能。例如高整合度的DC/DC轉(zhuǎn)換器LTC3107，透過(guò)采集和管理來(lái)自極低輸入電壓電源(例如熱電發(fā)電機(jī)[TEG]和熱電堆)的多余能量，延長(zhǎng)了低功率無(wú)線系統(tǒng)中主電池的壽命。
當(dāng)采用LTC3107時(shí)，一個(gè)負(fù)載點(diǎn)能量采集器所需的空間極小，只要足以容納LTC3107的3mm x 3mm DFN封裝和少量外部元件即可。透過(guò)產(chǎn)生一個(gè)追蹤現(xiàn)有主電池電壓的輸出電壓，可無(wú)縫地采用LTC3107，為新的和現(xiàn)有的電池供電型設(shè)計(jì)導(dǎo)入免費(fèi)熱能采集的成本節(jié)省。此外，LTC3107還能搭配小型熱能量源，共同延長(zhǎng)電池壽命(有些情況下可長(zhǎng)達(dá)電池的保質(zhì)期)，從而降低了因更換電池所需的經(jīng)常性維護(hù)成本。LTC3107專為電池提供補(bǔ)充甚至完全為負(fù)載供電而設(shè)計(jì)，它取決于負(fù)載情況以及可用的采集能量。
另一個(gè)例子是LTC3331，這是一款完整的能量采集調(diào)節(jié)解決方案，當(dāng)采集能量可用時(shí)，可提供高達(dá)50mA的連續(xù)輸出電流以延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)從采集的能量為負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該元件就不需要由電池提供電流，而在無(wú)負(fù)載情況下以電池供電時(shí)，僅需要950nA的作業(yè)電流。LTC3331整合了高電壓的能量采集電源和一個(gè)同步升降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器(該轉(zhuǎn)換器由可再充電主電池供電)，而為WSN和IoT裝置等能量采集應(yīng)用提供不間斷的輸出。
LTC3331的能量采集電源由適合AC或DC輸入的全波橋式整流器和高效率的同步降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電(AC)、太陽(yáng)能(DC)或磁性元件(AC)能源采集能量。10mA分路器以采集的能量實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便的電池充電，而低電量電池?cái)嘟庸δ軇t保護(hù)電池免于深度放電?？稍俪潆婋姵貫樽鳂I(yè)于1.8V-5.5V輸入范圍的同步升降壓轉(zhuǎn)換器供電，在無(wú)采集能量可用時(shí)用于調(diào)節(jié)輸出，而無(wú)論輸入高于、低于或等于輸出。在處理微功率電源時(shí)，LTC3331電池充電器擁有非常重要且不容忽視的電源管理功能。
LTC3331加入了電池充電器的邏輯控制功能，使其僅在能量采集電源有多余的能量時(shí)才為電池充電。如果少了這種邏輯控制功能，能量采集電源就會(huì)在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳工作點(diǎn)，而無(wú)法完成啟動(dòng)而為目標(biāo)應(yīng)用供電。當(dāng)采集的能源不可用時(shí)，LTC3331便會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到電池。這帶來(lái)了一個(gè)額外的好處是，如果適合的能量采集電源至少在一半的時(shí)間內(nèi)可用，那么以電池供電的WSN可使其工作壽命從10年延長(zhǎng)至20年以上，甚至如果能量采集能源更普遍存在的話，壽命還會(huì)更長(zhǎng)。
最后，毫微功率升降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器LTC3335是一款高效率、低靜態(tài)電流(680nA)的轉(zhuǎn)換器，主要瞄準(zhǔn)WSN和通用的能量采集應(yīng)用。其整合的庫(kù)侖計(jì)數(shù)器可監(jiān)測(cè)長(zhǎng)效電池供電應(yīng)用的電池累計(jì)放電量。該計(jì)數(shù)器將電池的累計(jì)放電量?jī)?chǔ)存在內(nèi)部暫存器中，并可透過(guò)I2C介面存取。升降壓轉(zhuǎn)換器可在其輸入端電壓降低至1.8V時(shí)作業(yè)，并以高達(dá)50mA的輸出電流提供8接腳的可選輸出電壓。為了適應(yīng)多種類型和尺寸的電池，峰值輸入電流的選擇范圍可以從低至5mA到高達(dá)250mA，而全尺度庫(kù)侖計(jì)數(shù)器具有32,768:1的可程式設(shè)計(jì)范圍。
結(jié)語(yǔ)
智慧型IoT穿戴式裝置市場(chǎng)近年來(lái)已出現(xiàn)爆炸性成長(zhǎng)，而衍生了因應(yīng)健康與健身、醫(yī)療、資訊娛樂(lè)、軍事和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的多種產(chǎn)品。包括使用感測(cè)器的醫(yī)療保健穿戴式裝置等新一波產(chǎn)品可監(jiān)測(cè)關(guān)鍵的生物統(tǒng)計(jì)資訊，例如在醫(yī)療院所以外測(cè)量心率和血壓，從而為更加積極、健康的生活方式創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。智慧穿戴式裝置的核心架構(gòu)取決于產(chǎn)品類型，但基本上由一個(gè)微控制器、MEMS感測(cè)器、無(wú)線連接電路、電池和支援性電子元件組成。
同樣地，針對(duì)提升建筑物能源效率以及為工業(yè)機(jī)械和橋梁的系統(tǒng)健全狀況監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，WSN的能量采集技術(shù)應(yīng)用迅速增加，同時(shí)也是低功率轉(zhuǎn)換解決方案的主要推動(dòng)因素之一。盡管為小電流穿戴式裝置供電非常具有挑戰(zhàn)性，透過(guò)先進(jìn)的電源轉(zhuǎn)換IC，可望為低功率級(jí)實(shí)現(xiàn)非常高的性能。