設(shè)計(jì)答疑:可穿戴設(shè)備超低功耗方案設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2015-08-25 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】您是否盼望能開發(fā)像手表、血氧計(jì)或血壓監(jiān)測儀這樣的可穿戴式設(shè)備?智能手表所需的小尺寸和高級(jí)功能給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了兩個(gè)基本挑戰(zhàn):您將如何在規(guī)定的封裝內(nèi)塞進(jìn)您需要的一切?您如何給設(shè)備供電?
這里有三種解決方案,能在可穿戴式電子產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)超低功耗運(yùn)行:
1.盡可能在待機(jī)模式下運(yùn)行
實(shí)現(xiàn)較長電池壽命的關(guān)鍵是:通過減少?zèng)]必要的系統(tǒng)活動(dòng)讓運(yùn)行時(shí)的電流消耗最低。這意味著除關(guān)閉某些功能外,還要在微控制器的睡眠或待機(jī)模式以及電源的省電模式下運(yùn)行。例如,當(dāng)用戶不看他(或她)的手表時(shí),關(guān)掉手表的顯示屏。或當(dāng)SimpleLink? Bluetooth?低能耗CC2541無線微控制器(MCU)能只通過睡眠定時(shí)器而非定時(shí)器1運(yùn)行時(shí),電源電流從大約90μA降低到僅為0.6μA——省電率超過99%!此外,任何后臺(tái)任務(wù)在代碼內(nèi)必須是由中斷驅(qū)動(dòng)的。這樣,微控制器就能盡量一直在睡眠模式下運(yùn)行,只有當(dāng)中斷命令它時(shí)才喚醒。
2.使待機(jī)模式下的電流消耗最低
一種關(guān)鍵的技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素是在這些待機(jī)模式下減少汲取的電流。例如,采用EnergyTrace++?技術(shù)的MSP430F59xx(FRAM)微控制器在待機(jī)模式下僅消耗450nA的電流,這得歸功于其極低泄漏的FRAM存儲(chǔ)器。如果您用TPS82740A為該微控制器供電,那么當(dāng)您供電時(shí)即便該微控制器略有漏電,從單節(jié)鋰離子電池汲取的電流大約也只有750nA。在這種情況下,360nA的靜態(tài)電流(IQ)與DCS-Control拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這兩大優(yōu)勢珠聯(lián)璧合,當(dāng)然能實(shí)現(xiàn)這樣低的待機(jī)功耗。如果您的電流消耗真有那么低,您必定需要負(fù)載開關(guān)來斷開已關(guān)掉的子系統(tǒng)(根據(jù)其電源電壓),以免它們從系統(tǒng)泄漏電流。
3.進(jìn)行集成以節(jié)省寶貴的印刷電路板(PCB)空間
由于您已將功耗降到了一個(gè)合理的水平,因此電池就不需要每天充電了。第二道難題是空間問題——您打算把一切器件(微控制器、傳感器、電源、電池等)放置到哪里?對(duì)于該挑戰(zhàn),集成法可幫您大忙。TPS82740A是MicroSIP器件,它集成了所有必需的無源組件以及一個(gè)負(fù)載開關(guān)!這比具有相同超低功耗性能(已優(yōu)化)的分立式TPS62740型實(shí)施方案小75%以上。此外,MSP430F59xx還集成了多種功能,如溫度傳感器功能、差分輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器功能、8選1多路復(fù)用器LCD顯示器驅(qū)動(dòng)器功能和256位加密功能。只需添加一塊電池和一些其它的系統(tǒng)專用傳感器,您基本上就大功告成了!
在待機(jī)模式下運(yùn)行、使待機(jī)模式下的電流消耗最低、進(jìn)行集成以節(jié)省電路板空間——這三種方法可讓您的下一個(gè)可穿戴式設(shè)計(jì)大獲成功。
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可穿戴式產(chǎn)品充電的3類常見問題
當(dāng)設(shè)計(jì)可穿戴式應(yīng)用時(shí),我們已發(fā)現(xiàn)了一些與充電器相關(guān)的常見問題。在這里,讓我們看一些最常被咨詢的問題。
問:哪種線性充電器最適合我的應(yīng)用?
答:當(dāng)為特定應(yīng)用選擇合適的充電器時(shí),您應(yīng)該考慮多種因素:功率水平、尺寸、電池類型等。
以TI充電器產(chǎn)品組合中不同的充電器為例。bq24232是一種線性充電器,具有500mA的充電電流和電源路徑的特性。該解決方案的體積約為3.5mm×4.5mm2,包括必要的電阻器和電容器。這對(duì)需要系統(tǒng)即時(shí)開啟功能且空間不受限的應(yīng)用而言是絕佳的選擇。
如果電路板空間是受限的,那么bq24040可提供一個(gè)2.5mm×3.5mm2的解決方案。該充電器可支持10mA至1A的充電電流,并具有充電狀態(tài)指示和可編程的預(yù)充電和終止速率。由于其靈活性,該器件成為低功耗應(yīng)用中最廣泛使用的線性充電器之一。但bq24040的最小終止電流為6mA,這對(duì)超小型電池而言可能太大了。因此,對(duì)于尺寸和電池容量均非常小的應(yīng)用(如助聽器),bq25100是很好的選擇。該集成電路(IC)本身的封裝尺寸僅為1.6mm×0.9mm,解決方案總體積也很小,只有2.1mm×2.2mm2。此外,該IC可在電流小于1mA時(shí)終止充電,并為小型電池延長運(yùn)行時(shí)間。
當(dāng)挑選充電器時(shí),電池電壓是另一個(gè)決定因素。bq24232和bq24040產(chǎn)品系列都有4.2V和4.35V的選項(xiàng)。bq25100則多提供了兩個(gè)選項(xiàng)(4.3V和4.06V的選項(xiàng)),以滿足可穿戴式應(yīng)用的特殊需求。
問:為什么我的電池會(huì)在其充滿電之前終止充電?
答:有幾種情況可能會(huì)導(dǎo)致提前終止充電。首先,檢查輸入電壓(VIN)引腳處的輸入電壓是否穩(wěn)定并高于VBAT+VIN_DT。大多數(shù)TI充電器均有一個(gè)電源狀態(tài)良好檢測閾值(VIN_DT),該閾值是VIN和VBAT的差值。一旦VBAT增加且所述差值低于該閾值,充電就會(huì)終止。該閾值的典型值約為80mV。
其次,確定電池跟蹤電阻是否很小。有時(shí),引線本身具有很大的電阻(達(dá)1Ω),這將導(dǎo)致300mV的電壓降以及300mA的充電電流。在這種情況下,即使電池電壓只有3.9V,充電器VBAT引腳的電壓也會(huì)達(dá)到4.2V,并因此終止充電。
第三,確保為安全定時(shí)器設(shè)置了正確的值。對(duì)bq24232來說,可為安全定時(shí)器設(shè)置兩小時(shí)到八小時(shí)的時(shí)間;一旦該定時(shí)器超時(shí)充電就會(huì)終止。如果充電電流過小且為安全定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間過短,就有可能在電池充滿電之前停止充電。
問:我如何能消除小充電電流的振蕩?
答:大部分時(shí)間里,輸入與輸出電容均可幫助穩(wěn)定輸入與輸出電流。但在某些情況下(尤其當(dāng)充電電流非常小時(shí)),電流程序引腳(例如ISET引腳)處的寄生電容會(huì)引起振蕩,這時(shí)輸入與輸出電容就不再是合適的解決方案了。
對(duì)bq25100而言,如果充電電流小于50mA,那么我建議添加一個(gè)與ISET電阻器并聯(lián)的電阻器/電容器(RC)補(bǔ)償電路(圖3)。這對(duì)于由ISET引腳處存在的寄生電容帶來的電流調(diào)節(jié)環(huán)路不穩(wěn)定可起到有效的補(bǔ)償作用。
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