對于可穿戴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來說，功耗是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。隨著功能需求的增長，功耗也在增長。新工藝技術(shù)和電源管理的開發(fā)有助于降低可穿戴設(shè)計(jì)中器件的功耗，但這些是帶有小電池的空間受限設(shè)計(jì)。因此，對電源的需求似乎不斷超過電池的容量，以提供智能手表，健身追蹤器，位置監(jiān)控器和無線鑰匙所需的能量。

從環(huán)境中獲取能源是在可穿戴設(shè)計(jì)中延長電池壽命的一種方法。不必每12小時(shí)為一個(gè)小電池充電，用少量能量為電池充電，并在系統(tǒng)處于睡眠模式時(shí)給電池充電，可以提供更多電力并延長充電之間的時(shí)間。

這種能量來自許多來源。可穿戴設(shè)計(jì)的“傳統(tǒng)”能量收集技術(shù)是太陽能。手表多年來一直擁有太陽能，采用超低功率石英晶體和單色LCD顯示屏。然而，具有彩色屏幕的智能手表，無線鏈接，智能手機(jī)通知以及直接從手表撥打電話的能力需求大大增加了功率需求。目前的智能手表需求從205 mAh到420 mAh不等，后者只需一天半的操作。

正在出現(xiàn)可用于提供電力的其他技術(shù)。透明太陽能電池提供在屏幕上覆蓋的能力。其中第一個(gè)由密歇根州立大學(xué)研究所開發(fā)的普遍能源公司開發(fā)，采用透明的發(fā)光太陽能聚光器。它由吸收紫外和紅外光的特定不可見波長的有機(jī)鹽組成，然后它們作為另一種紅外波長發(fā)光。然后，在細(xì)胞邊緣的收集器拾取光。目前效率僅為1％，但研究人員希望將其提高到5％。

圖1：透明太陽能電池可用于為可穿戴設(shè)備供電設(shè)計(jì)。 （來源：普遍存在的能量）

壓電晶體已被用于捕捉行走的運(yùn)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)力，而其他正在研究的可穿戴系統(tǒng)技術(shù)則可以輕拍身體的運(yùn)動(dòng)。摩擦在一起的纖維可以通過襯衫材料中的導(dǎo)電纖維收集能量。

甚至可以從電磁波譜中清除無線電。英國的Drayson Technologies展示了一個(gè)原型系統(tǒng)，可捕獲環(huán)境中的射頻能量。在辦公室或外部環(huán)境中測量的平均RF密度范圍為20至35 nW/cm 2 ，F(xiàn)reevolt技術(shù)旨在通過新的多頻段天線設(shè)計(jì)獲得三分之一到一半的頻率密度。供電。限制是天線的尺寸，因此在衣服中輕敲導(dǎo)電纖維將是增加捕獲能量的一種方法。

尿液甚至可用于為燃料電池供電。布里斯托爾生物能源中心的研究人員使用微型微生物燃料電池（MFC）為一雙襪子中的無線收發(fā)器供電。可穿戴式MFC系統(tǒng)將尿液泵入燃料電池并成功運(yùn)行無線傳輸板，該板能夠每兩分鐘向PC控制的接收器模塊發(fā)送一條消息。

圖2：研究人員已開發(fā)出可將尿液轉(zhuǎn)化為能量的襪子，為無需電池的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的無線收發(fā)器供電。 （資料來源：英格蘭西部大學(xué)）

他們在積累和管理產(chǎn)生的微功率以及將能量收集功率與電池能量相結(jié)合方面都面臨同樣的挑戰(zhàn)。這需要先進(jìn)的電源管理算法，如凌力爾特公司的LTC3331和Maxim Integrated的MAX17710。

LTC3331集成了高壓能量收集電源和由可充電電池供電的降壓 - 升壓DC/DC，為采用5 x 5 mm QFN封裝的能量收集電源創(chuàng)建單輸出電源足夠小，可以擠進(jìn)可穿戴設(shè)計(jì)。 10 mA分流器可以為電池提供簡單的充電能量，同時(shí)低電池?cái)嚅_功能可以保護(hù)電池免受深度放電。

集成的全波橋式整流器和高壓降壓DC/DC可以提供能量從源和任何一個(gè)轉(zhuǎn)換器可以將能量輸送到單個(gè)輸出，為可穿戴設(shè)計(jì)的主控制器和收發(fā)器供電。當(dāng)收集的能量可用時(shí)，降壓器工作，將電池的靜態(tài)電流降至分流充電器所需的200 nA。這擴(kuò)展了電池的使用，因?yàn)榻祲?- 升壓轉(zhuǎn)換器僅在收集的能量不可用時(shí)為設(shè)備供電。

圖3顯示了與能量收集源（如太陽能電池或壓電電極）接口的典型電路水晶。這顯示了當(dāng)控制器和收發(fā)器處于睡眠模式時(shí)，源輸入的變量如何用于為可穿戴系統(tǒng)的電池充電。

圖3：使用凌力爾特公司的LTC3331從太陽能或壓電源獲取能量，并在可穿戴系統(tǒng)處于睡眠模式時(shí)為電池充電。

Maxim Integrated的MAX17710采用簡單的升壓調(diào)節(jié)器控制器來支持從低壓太陽能電池和其他來源收集能量。這在脈沖收獲模式下將能量收集至約1fW，在連續(xù)轉(zhuǎn)換中收集至高達(dá)100mW。對于0.8 V收獲源和4.1 V電池，只要收獲源可以支持，該設(shè)備可以提供超過20 mA（80 mW）的電壓。

圖4：將太陽能電池等低壓能量收集源與Maxim MAX17710電源管理連接。

圖4顯示了從低壓太陽能電池陣列中采集的典型應(yīng)用升壓電路。這里，單元陣列對47 fF收集源電容器充電，直到FB上的電壓超過FBon閾值。這會(huì)觸發(fā)LX引腳拉低，強(qiáng)制電流通過外部電感。 LX以固定的1.0 MHz振蕩，占空比為90％。每次器件釋放LX時(shí)，電感強(qiáng)制LX的電壓高于CHG，并為0.1 fF CHG引腳電容充電。當(dāng)CHG升至電池電壓以上時(shí)，即可充電。

可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是確定電容器和電感器的尺寸，以確保它們適合小尺寸。 CHG引腳電容應(yīng)最小化至0.1 fF以獲得最高充電效率，但收集源電容必須至少比CHG引腳電容大70倍，以便在最壞情況下將充電引腳升壓至最大充電電壓。這在兩個(gè)電容器之間產(chǎn)生平衡。將收集源電容器的尺寸增大到超過這個(gè)水平可以改善可穿戴設(shè)備中使用的低輸入功率水平（《10 fW）的充電電路效率。但設(shè)計(jì)人員必須小心，不要將電容器增加到太大，以至于收獲源無法克服電容器的泄漏。因此，建議最大值為47 fF，如表1所示。

ApplicationCharge Source CHG

電容（μF）最小LX

電感（μH）推薦

LX電感（μH）最小收獲

源電容（μF）推薦的收益源電容器（μF）高電壓0.22 N/AN/AN/AN/A低電壓《10μW0.10.85 1.5 7.0 47 《！ - 重復(fù)以下tr以獲得更多行 - - 》低電壓》10μW0.10.85 1.5 7.0 7.0高壓和低壓《10μW0.220.85 1.5 15.4 47高壓和低壓》10μW0.220.85 1.5 15.4 15.4

還需要0.68 fH的最小電感值來防止超過LX引腳的最大額定電流，并且升壓電路二極管必須是高速肖特基二極管，例如作為Diodes Incorporated的ZLLS410TA。當(dāng)LX驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉時(shí)，二極管必須快速接通以將LX引腳電壓上升鉗位在6.0 V或更低。如果超過最大電壓，可能會(huì)損壞LX引腳。

升壓轉(zhuǎn)換器直接從單元中獲取其靜態(tài)電流，以便它可以有效啟動(dòng)，因此只有在能夠提供比升壓轉(zhuǎn)換器從單元消耗的功率更多的功率時(shí)才使用它。只要CHG電容足夠大以將CHG升高到電池引腳上的電壓以上，就可以保證這一點(diǎn)。

結(jié)論

將能量收集集成到可穿戴設(shè)備和個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。能源不斷改進(jìn)并產(chǎn)生更多電力，硅的電力需求正在下降，電源管理技術(shù)正在提供轉(zhuǎn)換能源的有效方法。通過仔細(xì)確定電源管理器件周圍的元件尺寸，它們可用于具有低壓電源的可穿戴系統(tǒng)，如壓電和太陽能電池。