隨著物聯網(IoT)和5G的快速發展,我們日常使用的智慧設備的數量正變得越來越多。現在我們每個人都會用到多種設備,而所有這些設備幾乎都需要充電並對電源進行維護。

目前可穿戴市場主要由手環和智慧手錶所組成。對穿戴式裝置來說,最大的挑戰是如何恰當、方便地為它們持續供電。對於目前很多的手環和手錶設計來說,用戶都必須先把它們脫下來,插到有線充電器上才能充電(這也是我不願再用這類設備的原因)。即使是採用了電磁感應式充電解決方案——比如蘋果(Apple)的iWatch,使用者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.之前,我們需要有一種不易被人察覺的方式來對這些設備充電並使用。讓我們用感覺不到的新方式來為穿戴式裝置供電,讓這些不斷演進、令人驚豔的技術更方便使用吧!

本文將介紹這一領域中的一些最新開發成果,以供大家參考。希望這些成果有助於設計人員開發出業界迫切需要的創新解決方案。

無線充電(Nikola Tesla會贊成)

現在我們幾乎所有設備都需要單獨充電,因此無線充電(wireless power)肯定會是贏家,也是我在這類應用中的第一選擇。

服裝級的感應式電力傳輸

可穿戴服裝可能包含多個智慧設備,用它作為配電骨幹會很有前景(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採用雙向感應輸電技術。《Garment level power distribution for wearables using inductive power transfer》一文中選擇了基於LCL-LCL拓撲而不是SS (Series-Series)拓撲的電路,因為SS拓撲負載電流會隨著負載(例如電池)變化而變化(圖1)。

圖1電路工作在99kHz,可在智慧設備之間實現雙向電能交換。

20171106NT02P1 圖1 無線電力傳輸(WPT)設計中所用補償電路拓撲有四種,這裡是其中兩種:(a)SS拓撲(b)LCL-LCL拓撲。

在多個設備之間進行雙向電能共用很有意義。某個設備(例如智慧型手機)的電池容量可能比一些小體積的設備(如健身追蹤器)更大,因此可以用來為這些更小的設備供電。這樣,穿戴者可以在給智慧型手機方便充電的同時,延長那些更小設備的使用時間。

這種方法成功的關鍵是,這些可穿戴背心或服裝是以最不易讓人察覺的方式設計。採用柔性材料製造的饋電線圈來設計是種好方法,可參見圖2和圖3。

20171106NT02P2 圖2 饋電線圈的理想電路圖(a)及其等效電路(b)。

20171106NT02P3** 圖3 上方是用銅帶製作的柔性饋電線圈;下方是早期用24號硬線做的饋電線圈原型。

現在雙向輸電電路可以基於LCL逆變器來構建,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(圖4)。

20171106NT02P4 圖4 雙向感應式電能傳輸電路。

整個系統構建完成後,圖5就是完整的電能共用系統。

20171106NT02P5 圖5 完整的電能共用系統原理圖。左側是發射器,中間是饋電線圈,右側是接收線圈。

能量採集

保持穿戴式裝置始終充電並長久運行的另外一種好方法是射頻(RF)能量採集。這一領域正在研究中,對於可能的設計解決方案,一個例子是毫米波(mmWave)噴墨能量採集方法,可以用在可穿戴設計的柔性電路中(可參考《Millimeter-wave Ink-jet Printed RF Energy Harvester for Next Generation Flexible Electronics》)。

這種設計使用了噴墨印製的毫米波整流天線,該整流天線可以將電磁能量轉換為直流電能。

這種設計先透過天線捕獲24GHz訊號,然後將訊號送到整流器——該整流器前面有一個輸入匹配網路,用於最大程度地將電能傳輸給諧波端接網路(HTN)。例如,諧波端接網路對二極體在奇次諧波下提供開路阻抗,在偶次諧波下提供短路阻抗,諧波端接網路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訊號到地的過孔,因此不會產生毫米波頻率下可能產生的嚴重寄生問題,詳見圖6。

20171106NT02P6 圖6 整流天線開發概念框圖。

整個系統是由柔性液晶聚合物(LCP)基板和用Dimax FujiFilm DMP-2831噴墨印表機列印出來的銀奈米(nm)粒子墨水製作的微帶線所實現。

天線採用平面2×2貼片陣列設計,4個貼片透過一個帶3個T型結點的公共饋電網路連接,這3個T型結點都在同一層上,作為50Ω的輸入饋線(圖7)。

20171106NT02P7 圖7 天線版圖。天線尺寸可以在上述參考文獻中找到。

在這個設計的實驗中,LED燈被空中傳過來的24GHz訊號成功點亮。

一些有趣的元件解決方案和技術

以下介紹一些有趣的解決方案及技術:

Powercast的PowerHarvester IC

我最近和Powercast營運長暨技術長Charles Greene談論了該公司的穿戴式裝置供電解決方案。這家公司的解決方案讓我非常感興趣,詳見圖8。

20171106NT02P8 圖8 Powercast的無線再充電解決方案。

穿戴式裝置設計人員可以將Powercast的Powerharvester IC嵌入到穿戴式裝置中,為一個或多個設備提供一定距離的無線充電。透過收集ISM頻段的射頻能量,這種IC可以為穿戴式裝置的電池提供涓流充電,這種方法並支援可水洗的密封設備。

這種解決方案的外形尺寸很小。Powerharvester晶片提供頻繁和透明的再充電,允許使用更小的電池,從而支援更小更薄的設備。

在壁櫥或梳妝檯抽屜中可以安裝類似手機發射器的小功率射頻發射器。這種發射器可以為可穿戴服裝提供充電區域,無論穿戴式裝置是在壁櫥裡還是在抽屜裡,這些設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範圍內的隨機射頻訊號的環境無關,圖9提供了射頻電源種類。

20171106NT02P9 圖9 Charles Greene在2017年美國感測器博覽會上的演講中提到的射頻電源種類。

這種創新解決方案成功的關鍵是採用了極其高效率的射頻至直流轉換器設計,接下來看看這家公司管理他們系統的方式。

系統設計

我真的很喜歡Powercast的方法,因為只依靠環境中的射頻能源會很難預測,但透過提供其自身的射頻能源,系統就能獲取穩定的能量流。雖然在沒有電的偏遠地區,環境能源可能是一種更好的解決方案,不過我相信大部分市場,特別是穿戴式裝置市場,可以使用專門、可靠的無線發射器。

圖10是距離可以從幾英吋到超過100英呎的典型專用射頻能量廣播方案。發射功率範圍可以從幾微瓦到幾毫瓦。

20171106NT02P10 圖10 Powercast系統可以為支援的設備提供自動充電,參數可以根據特定設計需求進行控制。這些參數有功率等級、頻率、發射/接收天線增益和發射器數量、距離、設備工作週期,以及系統成本。

頻率的重要性

用弗里斯傳輸(Friis Transmission)公式可以計算在發射天線增益為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的設計就是從弗里斯公式開始的。

請注意,以下的公式假設是遠距離工作(隨著「r」趨向於0,接收到的功率將趨向於無限大,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:

20171106NT02P10-1

其中:

PT是發射功率; r是天線範圍或距離; ΓT是發射器反射係數; GTTT)是與角度有關的發射器增益。

天線的有效面積(Ae)與頻率的平方成反比:

20171106NT02P10-2

其中: Ae是有效面積; GRRR)與角度有關的接收器增益; ΓR是接收器反射係數; PT是入射波極化向量; PR是接收器極化向量; λ是波長。

因此,如果特定設備允許的話,增加天線尺寸會使訊號在較高頻率下方向性更好。以下是基於雷達公式(Radar Equation)的計算:

20171106NT02P10-3

其中: PR是接收到的資料功率; GR是最大的接收器增益。

相反,頻率越低,訊號就越具有全向性,一般也允許更大的輸送量。天線尺寸自然而然取決於接收設備的尺寸(例如,遊戲控制器用915MHz雙極子天線,或助聽器等類似設備用2.4GHz或5.8GHz雙極子天線)。

發射器

Powercaster TX 91501發射器採用免執照ISM頻段的915MHz中心頻率,並採用直接序列擴頻(DSSS)技術對功率進行調變——DSSS是一種將原始資料訊號乘以偽隨機雜訊擴展編碼的擴頻技術。擴展編碼具有更高的碼片速率(編碼位元速率),支援寬頻連續時間加擾訊號。軍方使用這種技術來有效對抗特別是窄帶干擾/人為干擾訊號,而使訊號更不容易被潛在駭客發現。

資料則是採用幅移鍵控(ASK)數位調變方案,即給正弦訊號賦予兩個或多個與數位資訊所採用的電平個數相對應的離散幅度電平。已調波形一般看起來像是一串正弦訊號。

接收器

接收器側也是大批量OEM設計和參考設計用PCC110射頻至直流轉換器IC和PCC210升壓轉換器IC。

另外還有基於PCC110和PCC210 IC的P1110和P2110模組(圖11)。

20171106NT02P11 圖11 Powercast模組是射頻進、直流出、具有高射頻至直流轉換效率(關鍵參數之一)的元件。它們設計用於50Ω天線,支援840MHz~960MHz範圍內的多個頻段。

一些應用

應用的部分如圖12與13所示。

20171106NT02P12 圖12 降壓式涓流充電案例。

20171106NT02P13 圖13 消費類電子設備可以在晚上不使用時利用圖中央的PowerSport發射器進行充電。

德州儀器穿戴式裝置用電源管理參考設計

德州儀器(TI)推出了一種可行、可擴展的穿戴式裝置用電源解決方案,可以用於手錶、手環等穿戴式裝置(可參考:https://goo.gl/3kVQaj)。與這種方案類似的參考設計使設計人員能夠發揮他們的智慧和創造性,為穿戴式裝置提供創新的供電技術,如圖14所示。

20171106NT02P14 圖14 TI穿戴式裝置用無線供電解決方案方框圖。

凌力爾特(現隸屬ADI旗下)醫療用穿戴式裝置和可擴展電源方案

凌力爾特(Linear Technology)有一種基於LTC3107的能量採集解決方案,可用於給無線系統網路和充電電池進行供電,如圖15。該公司還有一款LTC3331,用來將來自多種能源的能量轉換給穿戴式裝置供電,參見圖16。

20171106NT02P15 圖15 採用熱電產生器供電的能量採集設計可以延長原電池的壽命。

20171106NT02P16 圖16 LTC3331有一個全波橋式整流器,用於接收來自壓電(交流能量)、太陽能(直流能量)和磁能(交流能量)等能源的輸入。

一些激勵設計者創新的其他構想

以下來看一些可以刺激設計者創新思維的構想:

穿戴式裝置用麥克風喚醒與監聽

Vesper有一種非常好的節能解決方案,可以用於穿戴式裝置的語音控制,請參考《Wake up and listen: Vesper quiescent-sensing MEMS device innovation》這篇文章(https://goo.gl/V9crKg)。

穿戴式裝置採集資訊對降低功耗提出挑戰

我不敢肯定英特爾(Intel)對這項業務會堅持多久,但他們已經用他們的14nm製程開發出了一款低功耗的「始終運行(Always-on)」晶片—對於關鍵字辨識,功耗僅為2mW。此外,該公司基於其Quark SE SoC還開發了其Curie模組。Intel新業務部門副總裁兼總經理Jerry Bautista表示,他們認為資料相當有價值,而穿戴式裝置有助於收集特別是生物辨識方面的更多資訊。穿戴式裝置屬於邊緣設備,它們在收集到資料後,將其送入到大資料流程中,發送給雲端伺服器進行分析。對於Intel來說,降低這類設備的功耗至關重要。

我興奮並樂觀地預測,下一代穿戴式裝置用創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慧手錶的時候。