雖然現(xiàn)在在可穿戴市場(chǎng)引起了消費(fèi)者強(qiáng)烈的興趣，這種技術(shù)以最簡(jiǎn)單的形式其實(shí)可算已有45年歷史。第一例出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初，稱(chēng)為數(shù)字手表，來(lái)自卡西歐和Pulsar等公司。這樣的產(chǎn)品當(dāng)然不同于如今問(wèn)世的智能手表，在功能范圍方面(少得多)，和在電池壽命方面(反而更長(zhǎng))。這是現(xiàn)代可穿戴式電子產(chǎn)品存在的一個(gè)真正問(wèn)題 – 隨著新一代產(chǎn)品的演變(增加的功能)，其運(yùn)行時(shí)間大幅縮短。坦率地說(shuō)，這意味著走錯(cuò)了方向。
以往的可穿戴設(shè)備基本上都是直接連接到電池(這將運(yùn)行微控制器、顯示器等)，無(wú)需額外的電源管理。電池將能連續(xù)用兩三年，也許更久。這對(duì)用戶(hù)非常方便，因?yàn)闆](méi)有意外關(guān)機(jī)的問(wèn)題。新一代的可穿戴設(shè)備，最大的挑戰(zhàn)是，在許多情況下電池使用時(shí)間不到一天。因此，用戶(hù)可能不得不處于這樣一種情況，即他們不能確定他們的可穿戴設(shè)備將持續(xù)運(yùn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便他們有機(jī)會(huì)再次為其充電。這導(dǎo)致用戶(hù)的沮喪感，也在一定程度上阻礙了某些可穿戴市場(chǎng)的進(jìn)展。
有些可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)固有的特定特點(diǎn)將對(duì)其電池儲(chǔ)備有重大影響。設(shè)計(jì)工程師需要充分意識(shí)到這些。首先，電池的可用空間是有限的。其次，由于消費(fèi)電子業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)激烈，物料清單的成本需要保持在很低的水平。第三，盡管多年來(lái)人們對(duì)電池的需求大大增加，但他們所依賴(lài)的基礎(chǔ)化學(xué)還沒(méi)有發(fā)展到可支持這需求的地步。因此，這需要更復(fù)雜的電源管理以彌補(bǔ)不足。必須努力提高電源轉(zhuǎn)換能效水平，以減少功率損耗。
可穿戴技術(shù)可以采用各種形式，所以讓我們專(zhuān)注于一個(gè)最常見(jiàn)的例子-健身追蹤器。這將包括以下關(guān)鍵器件：
• 一個(gè)微控制器- 以執(zhí)行處理任務(wù)。
• 一個(gè)顯示器- 為用戶(hù)提供訪問(wèn)各種數(shù)據(jù)塊的接口(心率、走過(guò)的距離、時(shí)間等)。
• 低功耗無(wú)線收發(fā)器用于向電腦或平板電腦傳輸數(shù)據(jù)。
• 各種傳感器。
• 支持電源管理的系統(tǒng)
每一器件都耗用電池電量，這耗電量對(duì)跟蹤器的運(yùn)行至關(guān)重要。技術(shù)進(jìn)步意味著這每一個(gè)器件都在逐漸減少功率預(yù)算。顯示器將是一個(gè)薄膜晶體管(TFT)，比以前的顯示器類(lèi)型的電流更小。當(dāng)我們轉(zhuǎn)向新的工藝技術(shù)，微控制器的功率需求也在降低。在大多數(shù)情況下，無(wú)線收發(fā)器將符合藍(lán)牙低功耗(BLE)協(xié)議。此外，每一個(gè)器件只運(yùn)行一小部分時(shí)間(即當(dāng)用戶(hù)從顯示器提取信息時(shí)它是被完全激活的，只在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要BLE收發(fā)器)。微控制器將在需要發(fā)揮作用時(shí)合理的占用大部分時(shí)間，而電源管理電路基本上將一直處于使用中。雖然這似乎完全有悖常理，但傳統(tǒng)的電源管理機(jī)制在可穿戴設(shè)備一整天的運(yùn)行中可能是最耗電的。
隨著計(jì)算量在過(guò)去幾年變得越來(lái)越不值錢(qián)，只會(huì)鼓勵(lì)繼續(xù)把更多的功能置于微控制器。事實(shí)上，對(duì)于功耗敏感的應(yīng)用，如可穿戴設(shè)備，這顯然是不恰當(dāng)-盡可能避免開(kāi)啟微控制器(和其他耗電的部件)對(duì)功率預(yù)算至關(guān)重要。在某些情況下，針對(duì)可穿戴設(shè)計(jì)的微控制器的待機(jī)電流可以非常低，這使得它們看起來(lái)很有吸引力，但它們反過(guò)來(lái)可能需要4 mA或5 mA電流來(lái)喚醒它們。如果他們必須定期被喚醒，那么這將消耗可穿戴設(shè)備電池的相當(dāng)大一部分電荷。
這需要實(shí)施一個(gè)全新的策略。將一個(gè)超低功耗微控制器與一個(gè)可編程電源管理單元相結(jié)合，利用“分布式智能”和顯著改善整體電源能效。這意味著，只有需要激活的功能在消耗電池電量，從而可以延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。
例如我們傳統(tǒng)的可穿戴式健身追蹤器的，包括一個(gè)低功耗微控制器、BLE收發(fā)器和精密的電源管理芯片，在系統(tǒng)閑置時(shí)功耗僅為3或4 µA。然而，當(dāng)它被喚醒，要么檢查運(yùn)動(dòng)要么搜尋射頻(RF)，這將大幅提高功耗到該數(shù)字的200倍。如果結(jié)合一個(gè)可編程電源管理單元和考慮到通過(guò)其內(nèi)部計(jì)時(shí)器而不是電源管理芯片/微控制器負(fù)責(zé)這些喚醒/睡眠周期的能力，那么功率預(yù)算可降低，因?yàn)椴恍枰⒖刂破鳌？删幊屉娫垂芾韱卧部梢载?fù)責(zé)從傳感器收集數(shù)據(jù)，使微控制器只在需要計(jì)算時(shí)被喚醒。 它甚至可以執(zhí)行基本的人機(jī)接口功能。遵循這種方法，可以減少可穿戴設(shè)備多達(dá)30%的整體功耗。
相較僅僅不斷集成到單個(gè)芯片的方式，實(shí)施分布式智能模型意味著整個(gè)系統(tǒng)可采用更高電源能效的方式運(yùn)行。同樣的方式已在樓宇自動(dòng)化顯示出，并開(kāi)始見(jiàn)于物聯(lián)網(wǎng)，這種類(lèi)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是未來(lái)的方向。通過(guò)遷移一些來(lái)自微控制器的功能元素，和讓電源管理單元代替處理它們，有可能縮小電池，同時(shí)延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。
摩爾定律已經(jīng)令半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不斷推到更小的工藝節(jié)點(diǎn)，這也使我們創(chuàng)建了越來(lái)越多的集成芯片，這固然帶來(lái)了在處理能力等方面的很多好處。但是這并非沒(méi)有某種程度的妥協(xié)，在功耗方面最為明顯?？纱┐骷夹g(shù)的長(zhǎng)期進(jìn)展將在很大程度上取決于電源管理的進(jìn)一步進(jìn)展。很明顯，實(shí)施分布式智能將發(fā)揮很大作用，擺脫不斷推動(dòng)越來(lái)越高的集成度的傳統(tǒng)思維。
工程師現(xiàn)在需要做出更好的架構(gòu)選擇，而不是只做他們一直做的事情和為了提供更多而不斷尋求增加越來(lái)越多的東西到芯片上。我們做事不能有惰性，必須開(kāi)始應(yīng)用以功率為導(dǎo)向的觀點(diǎn)，而不只是以整合為導(dǎo)向。
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