可穿戴设备的有效电源管理

智能可穿戴设备的电池在几个小时内就会耗尽，这并不是任何人想要的。但是通过识别相关的问题和仔细设计电源电路，这种电池问题是可以避免的。

我们生活在一个电子设备成为我们日常生活不可分割的一部分的时代，因为这些设备使我们学习、工作、锻炼、旅行、交流和监控事物变得非常方便。特别是可穿戴设备，已经变得如此轻便和实用，以至于许多人每天都喜欢随身携带。

在医疗应用中，可穿戴设备可用于监测心率、血压、血氧饱和度、运动中燃烧的卡路里、睡眠跟踪等等。这些设备监测病人的健康状况，允许个人诊断和健康跟踪。其中一些还可以在病人的医生和远程监控设备之间实现无线接口。这样医生就可以随时了解病人的健康状况，而不需要他们中的任何一个去探望另一个。

对于一些新生儿病例，有特殊形式的项链，甚至可以监测新生儿的体温和脉搏的耳塞。这样的设备需要一个电源管理系统，可以持续至少19个小时充电。

电池挑战

可穿戴式电池管理系统(BMS)具有许多特点和功能，需要更多的充电时间。尽管在过去的十年中电池的容量有所提高，但是储存的电量在有限的时间内就会迅速耗尽。这减少了可穿戴设备的生命周期，因此，电池需要定期更换或更换为蓄电池，这增加了维护和成本。

此外，只持续四到六年的 BMS 是没有帮助的。在可穿戴设备中，电池寿命是一个关键问题。

小尺寸因子是可穿戴设备的另一个关键问题。电池复杂的内部结构可以显著增加设备的尺寸和成本，使人们不便佩戴它们。

实现有效电源管理的一些新方法是:

1.蓝牙 LE 5，Wi-Fi，或 RFID。它们消耗低功耗(微瓦) ，并在 SoC 上提供有效的数据传输设施。

2. 先进的 CMOS 技术。它使低功耗电路和系统得以发展。它允许设备在亚微瓦的功率水平下工作。

3. 能量收集元件来源。随着晶体管尺寸的缩小，需要对电源进行有效的管理。这意味着我们应该考虑利用热能、振动能或太阳能发电。然而，能量收集元件自身也带来了一些设计上的挑战，因为收获的能量会有电压波动，并且取决于收割机的可用性和大小。

框图更改

一个典型的可穿戴设备框图包括心率、心电、脉搏、计步器等传感器。这些总是需要良好的接口与控制器通过一些 adc 或其他类型的模拟前端转换器。控制器的正确选择对节约能源至关重要。

如果我们考虑传感器、能量源和电源管理(用于模拟前端处理、无线收发器和处理器)等模块，则能量源为整个设备供电。因此，电源管理模块应该有效地将电能分配给系统中的不同模块。

之后，传感器块将收集数据并将其发送到数字处理器，在那里数字化的数据将被处理并保存在内存中。数据也可以被存储来计算平均值。最后，无线收发模块将处理后的数据发送给另一个用户/接收者。

这些块一般需要小功率微安电流(mA)。因此，大多数时候，低功耗发射器以最大200kbps 的数据传输速率输出大约160mw 的电能，而实际消耗的电能约为190nw。当设备的负载周期为0.013% 时，无线发射器通常消耗更大的功率，因此以负载周期方式工作，以尽量减少设备的总体功耗。

住进重症监护病房的病人是那些生命垂危的病人，他们通常不能自主呼吸。因此，为了帮助他们的肺通风，临床医生在病人的气管内建立了一个气道，以提供人工呼吸。这被称为气管插管，其中一个塑料管称为气管内插管插入口，使一端到达气管(气管) ，而另一端连接到呼吸机。

然而，由于肺部分泌物、粘液或血栓，这些导管受阻，导致呼吸效率下降，并可能导致脑损伤甚至死亡。

由于只有两到三分钟的时间来采取适当的措施，因此需要立即清除堵塞物以使气管内导管通气，否则病人将很快死亡。

进行插管，需要麻醉师的专家手。但在大多数情况下，这些专家不能及时得到。因此，在这种情况下，一个智能设备可以在 ICU 或其他重要的医院环境中使用。该装置的传感器可作为机械通气管和气管导管之间的连接，实时监测和检测阻塞。

在使用传统运算放大器、超声波传感器或声学传感器设计智能设备后，主要的挑战是电池，因为气管插管可以持续4到8天。为了克服这一点，你需要开发一个电路，使设备运行70至78小时，一次充电，有一个处理器块和模拟前端块，和1.5 kb 的 SRAM。一些装置还包括脑电波频段、心率监测器、心房构造探测器等。

降低动态功率

在一个综合系统中有太多的功率耗散元件。降低动力功率是减少能源消耗的途径之一。动态功率是电路接通时消耗的功率。它包括开关电源和短路电源。

短路功率与电流有关，并直接从电源电压流向地面。当 NMOS 和 PMOS 网络同时接通时，短路功耗损失相对较小，开关功耗主导动态功耗。在这里，开关电源与电压保持二次方式。

二次方式与电压、总电流、漏电流和动态功率的比较行为有关，当能量相对于电压的图形被绘制出来时。为了进一步降低功耗，频率调节可以与电压调节一起进行。降低电压和频率称为动态电压频率调整。根据设备的性能要求，大大降低了动态功率。

然而，增加电压频率缩放和操作它在一个亚阈值电压增加泄漏能量(因为器件工作时间更长，在这个区域更慢)。因此，对于功率高度受限的耐磨器件，最好选择泄漏功率和动态功率均为最佳的亚阈值区域。

电压缩放

电源电压调整是为了产生每个块所需的电压水平。由于这些模块包括一个 SRAM，工作在最低电压0.9 v 在45纳米 CMOS 工艺，有一个电源管理的要求(关于模块)。

而数字模块可以在0.4 v 工作，以尽量减少电力消耗时，数据是通过无线发射机-接收机传输。因此，单个芯片需要多个电压等级。所以，块需要的电压水平可能高达1v。

这种类型的电压缩放可以给所需的电力块。否则，如果一个块不应该消耗太多的电力得到一个大的电压或电流，电池将不会持续很长时间。

有一些很好的架构，如16核的 ARM 微处理器，其中每个核心需要一个动态电压频率调整(DVFS)块。可以使用将输入电压转换为所需输出电压电平的电压调节器。需要集成多个电压调节器来支持动态电压调节。

因此，电源管理单元的区域主要由电压调节器控制。随着期望的稳压电平数量的增加，电压稳压器的数量也会增加，从而导致大面积的开销。因此，支持多个稳压电平与最低数量的电压调节器需要探索。

漏电功率

漏电功率是电路不工作时消耗的功率。虽然有些活动可以在睡眠模式下执行，但这些活动仅限于微控制器。通过软编程，你可以控制传感器和发射器块，也就是说，当它必须开机和当它必须进入深度睡眠模式。这样可以节省很多电力。

当电路工作但其中一部分不工作时，可以确定漏电功率。这意味着当红外传感器、脉冲速率传感器和 spo2传感器试图向微控制器发送数据时，由于控制器的某些部分仍处于非活动状态，所以无法正确接收数据。这种类型的电源也被称为有源漏电，也就是说，一些块是活跃的，而一些是非活跃的。

由于单个芯片中有大量的晶体管，泄漏功率变得至关重要。这一点变得尤为重要，尤其是当存在多核 SoC 时，即具有交叉电压并执行一些虚拟电路交换操作的 SoC (在低延迟和低功耗的帮助下从一个地方传输数据到另一个地方)。

虽然 CMOS 晶体管尺寸在缩小，器件速度在提高，但漏电流也在迅速增加。这是由于 CMOS 和 PMOS 器件中的通道长度。在加法器运行过程中，由于平均功耗主要由功耗决定，漏电功耗的影响变得更加严重。因此，采用占空比技术，确保系统在空闲时间进入低功耗模式，当某些区段的电源电压降低，不需要的区段停止供电。

在软编程的帮助下，这种安排节省了大量电力，同时可以进行诸如步行和徒步旅行等操作，以及通过蓝牙 LE 向基于移动应用程序发送数据。当设备瞬间苏醒时，它会消耗几毫安的电量来执行感应、处理和通信等重复性任务，然后就会睡着，直到下一个任务被分配。

当器件处于有源模式时，器件的平均功耗取决于器件的 p 有源状态。因此，设备消耗的平均功率取决于总有效功率 + 收发器消耗的功率 + 总功率 + 总功率消耗的功能始终处于开启状态(即使在睡眠模式下)。

为了有效地管理权力，你必须关注所有这些因素。将焦点集中在设备的每个部件上，比如处理模块、发送-接收模块和稳压器模块的传感器，并以设备消耗最小可能功率的方式组装它们。

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