【技术干货】医疗可穿戴设备的电源转换解决方案

支持物联网（IoT）的无线传感器的种类与数量正在快速激增，这增大了对面向较低功率无线设备而定制的小型、紧凑和高效率电源转换器的需求。最近物联网市场中新出现的细分市场之一是可穿戴电子产品市场，其中一个显而易见的应用是健康监测，不管是针对医院的病患或是十分重视健康的个人，通过医疗可穿戴设备来记录生物统计数据，此类信息包括体温、脉搏／心率、呼吸速率和血压等，用于衡量人体基本机能的生命体征数据。

这些生命体征数据至关重要，因为这些数据中如果出现不良的变化，或许表示健康状况下降，反之亦然。以往为了测量这些生物统计数据，必须采用医院和医生诊室中的各种设备。不过，若能够随身、及时、高效地测量此类生物统计数据，便可以按照实时生命体征数据，随时地调整生活和行为方式，从而改善健康水平，并有可能延长寿命甚至挽救生命。

智能可穿戴设备的核心架构取决于产品类型，典型的智能可穿戴设备是一个微型嵌入式系统，准确地划分其组成显然取决于设备本身。不过一般来说，智能可穿戴设备的核心架构，通常包括一个微处理器或微控制器或类似的IC，以及微机电传感器（MEMS）、小型机械执行器、全球定位系统（GPS）IC，还有蓝牙/蜂窝/Wi-Fi连接以收集／处理和同步数据，以及成像电子组件、LED、计算资源、可再充电电池或主（不可再充电）电池或电池组、支持性电子组件所组成。因此，可穿戴设备的主要设计目标是紧凑的外形尺寸、重量很轻以实现可穿戴性和舒适性，并拥有超低能耗以延长电池运行时间／寿命。

为了延长可穿戴设备的使用时间，除了使用主电池的电源之外，若能辅以能量收集（Energy Harvesting）系统，将能够大幅延长可穿戴设备的使用时间。目前市面上已经有许多现成有售的能量收集技术，例如：振动能量收集产品以及室内或可穿戴光伏电池，在典型工作条件下将可产生mW量级的功率。尽管这个量级的功率或许看似有限，但从所提供的能量还是从单位能量的成本上看，能量收集产品与长寿命主电池都大致相当。

虽然一些主电池声称能够提供长达10年的寿命，但这在极大的程度上取决于从其取出的功率级别以及抽取功率的频度。拥有能量收集能力的系统一般能够在电量耗尽后再充电，而仅由主电池供电的系统却做不到这一点。不过，大多数实施方案都将用某种环境能量源作为主电源，而用主电池作为环境能源的补充，如果环境能量源消失或中断，就可以接入主电池。这可被认为是一种“电池寿命延长器”能力，可为系统提供很长的工作寿命，这接近于电池的工作寿命，对于锂亚硫酰氯化学组成来说通常约为12年。

当然，能量收集电源所提供的能量取决于该电源能工作多长时间。因此，能量收集电源的主要比较指标是功率密度，而不是能量密度。能量收集的可用功率一般很低、可变和不可预测，所以常常使用连接至收集器和辅助电源的混合结构。辅助电源可能是一块可再充电电池或者一个存储电容器，收集器由于能量供应无限而成为系统的能量源。辅助电力储存库（或是电池或是电容器）产生较大的输出功率，但存储较少的能量，在需要时供电，而在其他情况下则定期从能量收集器接收电荷。

在这些可穿戴设备中常见的能量收集系统，必须使用能够处理非常低功率、非常小电流的电源转换IC，功率和电流可能分别为数十微瓦和数十纳安。ADI推出了多款电源转换IC，这些IC拥有实现此类可在可穿戴设备中使用的低收集功率所必需之特色和性能。

LTC3107是一款高度集成的DC/DC转换器，其设计用于通过收集和管理来自极低输入电压电源（例如：热电发生器[TEG]和热电堆）的多余能量，以延长低功率无线系统中主电池的寿命，升压型拓扑可采用低至20mV的输入电压运作。

LTC3107采用一个小型升压变压器，其提供了一款完整的电源管理解决方案，适合于那些依靠一个主电池工作的典型无线传感器应用。2.2V LDO可用于为一个外部微处理器供电，而主输出电压则可自动调整以与主电池的电压相匹配。在有收集能量可用的情况下，LTC3107可从电池电源无缝切换至收集能量电源，因而延长了电池的使用寿命。BAT_OFF指示器可用于跟踪电池的使用情况。一个任选的存储电容器负责累积多余的收集能量，从而进一步延长电池寿命。

当采用LTC3107时，一个负载点能量收集器所需的空间极小，只要足以容纳LTC3107的3mm x 3mm DFN封装和少量的外部组件即可。通过产生一个跟踪现有主电池电压的输出电压，可无缝地采用LTC3107以把免费热能收集的成本节约带到新的和现有的电池供电型设计中。此外，LTC3107还能与一个小的热能量源一起延长电池寿命（在有些场合中可延长达电池的保质期），从而降低了由更换电池所引起的经常性维护成本。LTC3107专为给电池提供补充甚至完全为负载供电而设计，这取决于负载情况和可用的收集能量。

ADI另一个产品实例是LTC3331，其集成了一个高电压能量收集电源和一个由可再充电电池供电的降压-升压型DC/DC转换器，可创建一款面向可替代能源应用的单输出电源。一个10mA分流器允许利用收集能量进行电池的简单充电，而一种低电池电量断接功能则用于避免电池发生深度放电。

LTC3331由一个集成型全波桥式整流器和一个高电压降压DC/DC组成的能量收集电源负责从压电源、太阳能或磁源收集能量。任一DC/DC转换器皆能给单个输出提供电能。降压转换器可在收集能量可用的情况下运作，因而能够把分流充电器所需并从电池吸收的静态电流减小至200nA，从而可延长电池的寿命。当没有收集能量可用时，降压-升压转换器将只给VOUT供电。

LTC3331为一款完整的能量收集调节解决方案，当可收集能量可用时，提供高达50mA的连续输出电流以延长电池寿命。当用收集的能量向负载提供稳定功率时，该器件不需要电池提供电源电流，而在无负载情况下用电池供电时，仅需要950nA的工作电流。

LTC3331集成了一个高电压能量收集电源和一个同步降压-升压型DC/DC转换器（该转换器由可再充电主电池供电），以为无线传感器节点、IoT设备、可穿戴设备等能量收集应用提供一个不间断输出。

另外，该器件还集成了一个超级电容器平衡器，故可增加输出存储。针对输入和输出的电压和电流设定值均可通过引脚搭接的逻辑输入来设置。LTC3331采用5mm x 5mm QFN-32封装。

此外，ADI还推出LTC3335，这是一款高效率、低静态电流（680nA）的毫微功率降压-升压型DC/DC转换器，其具有一个可在长使用期限电池供电型应用中监察累积电池放电量的集成型高精度库仑计数器，其面向无线传感器网络和通用的能量收集应用。降压-升压电路能够在其输入端上的电压低至1.8V的情况下运作，并提供8种可通过引脚选择的输出电压和高达50mA的输出电流。

LTC3335集成的库仑计数器可监视长寿命电池供电应用的电池累计放电量，这个计数器在一个内部寄存器中存储电池的累计放电量数字，库仑计数器把累积电池放电量存储在一个可通过I2C接口访问的内部寄存器中。LTC3335具有一个可编程放电报警门限，当达到该门限时，将在IRQ引脚上产生一个中断。

为了适应各种各样的电池类型和尺寸，LTC3335的峰值输入电流可在低至5mA到高达250mA的范围内进行选择，而且全标度库仑计数器具有一个32,768:1的可编程范围。LTC3335采用3mm x 4mm QFN-20封装。