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創(chuàng)新電源技術(shù)讓可穿戴設(shè)備“擺脫”充電器

發(fā)布時間:2017-11-08 來源:Steve Taranovich 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】對可穿戴設(shè)備來說,最大的挑戰(zhàn)是如何恰當(dāng)、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?,F(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(jìn)行維護(hù)。
 
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(dāng)、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(yīng)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(jìn)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(jìn)、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(yīng)用中的第一選擇。
 
服裝級的感應(yīng)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(yīng)輸電技術(shù)。參考文獻(xiàn)“Garment level power distribution for wearables using inductive power transfer”中選擇了基于LCL-LCL拓?fù)涠皇谴?串(SS)拓?fù)涞碾娐?,因為SS拓?fù)湄?fù)載電流會隨著負(fù)載(比如電池)變化而變化(見圖1)。
 
創(chuàng)新電源技術(shù)讓可穿戴設(shè)備“擺脫”充電器
圖1:無線輸電(WPT)設(shè)計中所用補(bǔ)償電路拓?fù)溆兴姆N,這里是其中兩種:(a)SS拓?fù)?,(b)LCL-LCL拓?fù)洹?/div>
 
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(jìn)行雙向電能共享很有意義。某個設(shè)備(比如智能手機(jī))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(jī)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。
 
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圖2:饋電線圈的理想電路圖(a)及其等效電路(b)。
 
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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。
 
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圖4:雙向感應(yīng)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)。
 
創(chuàng)新電源技術(shù)讓可穿戴設(shè)備“擺脫”充電器
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(yùn)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(xiàn)“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(yán)重寄生問題,詳見圖6。
 
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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(jī)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。
 
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圖7:天線版圖。天線尺寸可以在前述參考文獻(xiàn)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(yùn)營官/首席技術(shù)官Charles Greene博士談?wù)摿嗽摴镜目纱┐髟O(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。
 
創(chuàng)新電源技術(shù)讓可穿戴設(shè)備“擺脫”充電器
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(jī)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(jī)射頻信號的場景不相干。圖9給出了射頻電源種類。
 
創(chuàng)新電源技術(shù)讓可穿戴設(shè)備“擺脫”充電器
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(yù)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(yuǎn)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。
 
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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(jìn)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(yuǎn)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):
 
創(chuàng)新電源技術(shù)讓可穿戴設(shè)備“擺脫”充電器
 
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:
 
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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(dá)公式的計算:
 
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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(kuò)頻(DSSS)技術(shù)對功率進(jìn)行調(diào)制——DSSS是一種將原始數(shù)據(jù)信號乘以偽隨機(jī)噪聲擴(kuò)展編碼的擴(kuò)頻技術(shù)。擴(kuò)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(yīng)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。
 
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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。
 
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圖12:Powercast模塊是射頻進(jìn)、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(yīng)用
 
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圖13:降壓式涓流充電案例。
 
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圖14:消費(fèi)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(jìn)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(kuò)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(xiàn)“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。
 
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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(kuò)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(jìn)行供電,見圖16。
 
創(chuàng)新電源技術(shù)讓可穿戴設(shè)備“擺脫”充電器
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。
 
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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(fēng)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(wù)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(yùn)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(wù)部門副總裁兼總經(jīng)理Jerry Bautista表示,他們認(rèn)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(wù)器進(jìn)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(yù)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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