【導讀】對可穿戴設(shè)備來說，最大的挑戰(zhàn)是如何恰當、方便地為它們持續(xù)供電。目前很多手環(huán)和手表的設(shè)計，都需要用戶先把它們脫下來，插到有線充電器上才能充電。我們需要有一種不易被人察覺的方式來對這些設(shè)備充電并使用它們。
隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G的飛速發(fā)展，我們?nèi)粘Ｊ褂玫闹悄茉O(shè)備的數(shù)量正變得越來越多。現(xiàn)在我們每個人都會用到多種設(shè)備，而所有這些設(shè)備幾乎都需要充電并對電源進行維護。
目前可穿戴市場主要由手環(huán)和智能手表所組成。對可穿戴設(shè)備來說，最大的挑戰(zhàn)是如何恰當、方便地為它們持續(xù)供電。對于目前很多的手環(huán)和手表設(shè)計來說，用戶都必須先把它們脫下來，插到有線充電器上才能充電（這也是我不愿再用這類設(shè)備的原因）。即使是采用了電磁感應式充電解決方案——比如蘋果的iWatch，用戶也仍然需要把它們脫下來，放到充電器上去充電。
在我們進化出更多手臂、手指和耳朵等等之前，我們需要有一種不易被人察覺的方式來對這些設(shè)備充電并使用。讓我們用感覺不到的新方式來為可穿戴設(shè)備供電，而讓這些不斷演進、讓人眼前一亮的技術(shù)更方便使用吧。
本文將介紹這一領(lǐng)域中的一些最新開發(fā)成果，來為大家參考。希望這些成果有助于設(shè)計人員開發(fā)出業(yè)內(nèi)迫切需要的創(chuàng)新解決方案。
無線供電（尼古拉·特斯拉會贊成）
現(xiàn)在我們幾乎所有設(shè)備都需要單獨充電，因此無線供電肯定會是贏家，也是我在這類應用中的第一選擇。
服裝級的感應式輸電
可穿戴服裝可能包含多個智能設(shè)備，用它作為配電骨干會很有前途（這方面還有許多研究工作要做）。另外，服裝與服裝之間的電能傳輸可以采用雙向感應輸電技術(shù)。參考文獻“Garment level power distribution for wearables using inductive power transfer”中選擇了基于LCL-LCL拓撲而不是串-串（SS）拓撲的電路，因為SS拓撲負載電流會隨著負載（比如電池）變化而變化（見圖1）。
圖1：無線輸電（WPT）設(shè)計中所用補償電路拓撲有四種，這里是其中兩種：（a）SS拓撲，（b）LCL-LCL拓撲。
上述電路工作在99kHz，可在智能設(shè)備之間實現(xiàn)雙向電能交換。
在多個設(shè)備之間進行雙向電能共享很有意義。某個設(shè)備（比如智能手機）的電池容量可能比一些小體積的設(shè)備（比如健身追蹤器）更大，因此可以用來給這些更小的設(shè)備供電。這樣，穿戴者可以在給智能手機方便充電的同時，延長那些更小設(shè)備的使用時間。
這種方法成功的關(guān)鍵是，這些可穿戴背心或服裝是以最不易讓人察覺的方式設(shè)計。采用用柔性材料制造的饋電線圈來設(shè)計是種好方法，見圖2和圖3。
圖2：饋電線圈的理想電路圖（a）及其等效電路（b）。
圖3：上方是用銅帶制作的柔性饋電線圈；下方是早期用24號硬線做的饋電線圈原型。
現(xiàn)在雙向輸電電路可以基于LCL逆變器來構(gòu)建，其中，兩個反相方波分別輸入到四MOSFET逆變器的1號和2號輸入端，見圖4。
圖4：雙向感應式電能傳輸電路。
整個系統(tǒng)構(gòu)建完成后，圖5就是完整的電能共享系統(tǒng)。
圖5：完整的電能共享系統(tǒng)原理圖。左邊是發(fā)射器，中間是饋電線圈，右邊是接收線圈。
能量采集
保持可穿戴設(shè)備始終充電并長久運行的另外一種好方法是射頻能量采集。這一領(lǐng)域正在研究中，對于可能的設(shè)計解決方案，一個例子是毫米波噴墨能量采集方法，可以用在可穿戴設(shè)計的柔性電路中（參考文獻“Millimeter-wave Ink-jet Printed RF Energy Harvester for Next Generation Flexible Electronics”）。
這種設(shè)計使用了噴墨印制的毫米波整流天線，該整流天線可以將電磁能量轉(zhuǎn)換為直流電能。
這種設(shè)計先通過天線捕獲24GHz信號，然后將信號送到整流器——該整流器前面有一個輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，用于最大程度地將電能傳輸給諧波端接網(wǎng)絡(luò)（HTN）。例如，諧波端接網(wǎng)絡(luò)（HTN）對二極管在奇次諧波下提供開路阻抗，在偶次諧波下提供短路阻抗。諧波端接網(wǎng)絡(luò)還能將射頻分量從直流分量隔離。無過孔直流返回通路取消了信號到地的過孔，因此不會產(chǎn)生毫米波頻率下可能產(chǎn)生的嚴重寄生問題，詳見圖6。
圖6：整流天線開發(fā)概念框圖。
整個系統(tǒng)是由柔性液晶聚合物（LCP）基板和用Dimax FujiFilm DMP-2831噴墨打印機打印出來的銀納米粒子墨水制作的微帶線實現(xiàn)的。
天線采用平面2x2貼片陣列設(shè)計，4個貼片通過一個帶3個T型結(jié)點的公共饋電網(wǎng)絡(luò)連接，這3個T型結(jié)點都在同一層上，作為50Ω的輸入饋線，見圖7。
圖7：天線版圖。天線尺寸可以在前述參考文獻中找到。
在這個設(shè)計的實驗中，LED燈被空中傳過來的24GHz信號成功點亮。
一些有趣的元器件解決方案和技術(shù)
Powercast公司的PowerHarvester IC
我最近和Powercast公司的首席運營官/首席技術(shù)官Charles Greene博士談論了該公司的可穿戴設(shè)備供電解決方案。這家公司的解決方案讓我非常感興趣，詳見圖8。
圖8：Powercast公司的無線再充電解決方案。
可穿戴設(shè)備設(shè)計人員可以將Powercast公司的Powerharvester IC嵌入到可穿戴設(shè)備中，為一個或多個設(shè)備提供一定距離的無線充電。通過收集ISM頻段的射頻能量，這種IC可以向可穿戴設(shè)備的電池提供涓流充電。這種方法支持可水洗的密封設(shè)備。
這種解決方案的外形尺寸很小。Powerharvester芯片提供頻繁和透明的再充電，允許使用更小的電池，從而支持更小更薄的設(shè)備。
在壁櫥或梳妝臺抽屜中可以安裝類似手機發(fā)射器的小功率射頻發(fā)射器。這種發(fā)射器可以為可穿戴服裝提供充電區(qū)域。不管可穿戴設(shè)備是在壁櫥里還是在抽屜里，這些設(shè)備的電池都能自動接收涓流充電。這種方法與接收器需要依賴一定頻率范圍內(nèi)的隨機射頻信號的場景不相干。圖9給出了射頻電源種類。
圖9：Charles Greene博士在2017年美國傳感器博覽會上的演講中提到的射頻電源種類。
這種創(chuàng)新解決方案成功的關(guān)鍵是采用了極其高效的射頻至直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計，接下來看看這家公司管理他們系統(tǒng)的方式。
系統(tǒng)設(shè)計
我真的很喜歡Powercast的方法，因為只依靠環(huán)境中的射頻能源會很難預測。通過提供其自己的射頻能源，系統(tǒng)就能獲取穩(wěn)定的能量流。雖然在沒有電的偏遠地區(qū)，環(huán)境能源可能是一種更好的解決方案，但我相信大部分市場，特別是可穿戴設(shè)備市場，可以使用專門、可靠的無線發(fā)射器。
圖10是距離可以從幾英寸到超過100英尺的典型專用射頻能量廣播方案。發(fā)射功率范圍可以從幾微瓦到幾毫瓦。
圖10：Powercast系統(tǒng)可以為支持的設(shè)備提供自動充電，參數(shù)可以根據(jù)特定設(shè)計需求進行控制。這些參數(shù)有功率等級、頻率、發(fā)射/接收天線增益和發(fā)射器數(shù)量、距離、設(shè)備工作周期以及系統(tǒng)成本。
頻率的重要性
用弗里斯傳輸公式可以計算在發(fā)射天線增益為G2、距離為r、工作頻率為f或波長為λ的條件下，從增益為G1的接收天線收到的功率。Greene博士的設(shè)計就是從弗里斯公式開始的。
注：以下公式假設(shè)是遠距離工作（隨著r趨向于0，接收到的功率將趨向于無限大，因此這些公式使用有限制）。
事實上，單位為W/m2的功率密度(S)與頻率不相關(guān)：
其中： PT是發(fā)射功率； r是天線范圍或距離； ΓT是發(fā)射器反射系數(shù)； GT(θT,ΦT)是與角度有關(guān)的發(fā)射器增益。
天線的有效面積（Ae）與頻率的平方成反比：
因此，如果特定設(shè)備允許的話，增加天線尺寸會使信號在較高頻率下方向性更好。下面是基于雷達公式的計算：
其中： PR是接收到的數(shù)據(jù)功率； GR是最大的接收器增益。
相反，頻率越低，信號就越具有全向性，一般也允許更大的吞吐量。天線尺寸自然而然取決于接收設(shè)備的尺寸（例如，游戲控制器用915MHz雙極子天線，或助聽器等類似設(shè)備用2.4GHz或5.8GHz雙極子天線）。
發(fā)射器
Powercaster TX 91501發(fā)射器采用免許可ISM頻段的915MHz中心頻率，并采用直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)對功率進行調(diào)制——DSSS是一種將原始數(shù)據(jù)信號乘以偽隨機噪聲擴展編碼的擴頻技術(shù)。擴展編碼具有更高的碼片速率（編碼比特率），支持寬帶連續(xù)時間加擾信號。軍方使用這種技術(shù)來有效對抗特別是窄帶干擾/人為干擾信號，而使信號更不容易被潛在黑客發(fā)現(xiàn)。
數(shù)據(jù)則是采用幅移鍵控（ASK）數(shù)字調(diào)制方案，即給正弦信號賦予兩個或多個與數(shù)字信息所采用的電平個數(shù)相對應的離散幅度電平。已調(diào)波形一般看起來像是一串正弦信號。
接收器
接收器側(cè)也是大批量OEM設(shè)計和參考設(shè)計用PCC110射頻至直流轉(zhuǎn)換器IC和PCC210升壓轉(zhuǎn)換器IC，見圖11。
圖11：接收側(cè)電源用Powerharvester芯片。
另外還有基于PCC110和PCC210 IC的P1110和P2110模塊，見圖12。
圖12：Powercast模塊是射頻進、直流出的、具有高射頻至直流轉(zhuǎn)換效率（關(guān)鍵參數(shù)之一）的器件。它們設(shè)計用于50Ω天線，支持840MHz-960MHz范圍內(nèi)的多個頻段。
一些應用
圖13：降壓式涓流充電案例。
圖14：消費類電子設(shè)備可以在晚上不使用時通過圖中央的PowerSport發(fā)射器進行充電。
德州儀器可穿戴設(shè)備用電源管理參考設(shè)計
TI推出了一種可行、可擴展的可穿戴設(shè)備用電源解決方案，可以用于手表、手環(huán)等可穿戴設(shè)備（見參考文獻“Power Management Reference Design for a Wearable Device with Wireless Charging Using the bq51003 and bq25120”）。與這種方案類似的參考設(shè)計使設(shè)計人員能夠發(fā)揮他們的智慧和創(chuàng)造性，為可穿戴設(shè)備提供創(chuàng)新的供電技術(shù)，見圖15。
圖15：TI可穿戴設(shè)備用無線供電解決方案框圖。
凌力爾特公司（現(xiàn)ADI公司的一部分）的醫(yī)療用可穿戴設(shè)備和可擴展電源解決方案
凌力爾特公司有一種基于LTC3107的能量采集解決方案，可用于給無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和充電電池進行供電，見圖16。
圖16：采用熱電發(fā)生器供電的能量采集設(shè)計可以延長原電池的壽命。
凌力爾特還有一款LTC3331，用來將來自多種能源的能量轉(zhuǎn)換給可穿戴設(shè)備供電，見圖17。
圖17：LTC3331有一個全波橋式整流器，用于接收來自壓電（交流能量）、太陽能（直流能量）和磁能（交流能量）等能源的輸入。
一些激勵設(shè)計者創(chuàng)新活動的其他構(gòu)想
可穿戴設(shè)備用麥克風喚醒與監(jiān)聽
Vesper公司有一種非常好的節(jié)能解決方案，可以用于可穿戴設(shè)備的語音控制，請參考“Wake up and listen: Vesper quiescent-sensing MEMS device innovation”這篇文章。
可穿戴設(shè)備采集信息對降低功耗提出挑戰(zhàn)
我不敢肯定Intel對這項業(yè)務會堅持多久，但他們已經(jīng)用他們的14nm工藝開發(fā)出了一款低功耗的“始終運行”（Always-on）芯片——對于關(guān)鍵字識別，功耗僅為2mW。該公司基于其Quark SE SoC還開發(fā)了其Curie模塊。Intel公司新業(yè)務部門副總裁兼總經(jīng)理Jerry Bautista表示，他們認為數(shù)據(jù)特別有價值，而可穿戴設(shè)備有助于收集特別是生物識別方面的更多信息。可穿戴設(shè)備屬于邊緣設(shè)備，它們在收集到數(shù)據(jù)后，將其送入到大的數(shù)據(jù)流中，發(fā)送給云服務器進行分析。對于Intel公司，降低這類設(shè)備的功耗至關(guān)重要。
我興奮并樂觀地預測，下一代可穿戴設(shè)備用創(chuàng)新電源解決方案對用戶來說實際上將會是看不見的。如果夢想成真，那也是我重新戴上智能手表的時候。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。
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