過去幾年裏湧現出了大量可穿戴電子產品，所麵臨的共同難題之一就是電池使用壽命問題。 許(xu)多(duo)智(zhi)能(neng)手(shou)表(biao)必(bi)須(xu)天(tian)天(tian)充(chong)電(dian)，而(er)更(geng)多(duo)的(de)專(zhuan)業(ye)健(jian)身(shen)設(she)備(bei)雖(sui)然(ran)工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)很(hen)長(chang)，但(dan)在(zai)功(gong)能(neng)和(he)連(lian)接(jie)性(xing)方(fang)麵(mian)仍(reng)存(cun)在(zai)不(bu)足(zu)。由(you)於(yu)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)要(yao)求(qiu)與(yu)互(hu)聯(lian)網(wang)以(yi)及(ji)物(wu)聯(lian)網(wang)中(zhong)的(de)其(qi)它(ta)設(she)備(bei)連(lian)接(jie)，設(she)計(ji)中(zhong)的(de)無(wu)線(xian)和(he)計(ji)算(suan)元(yuan)件(jian)對(dui)電(dian)源(yuan)的(de)要(yao)求(qiu)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)。同(tong)樣(yang)

，節(jie)能(neng)顯(xian)示(shi)器(qi)技(ji)術(shu)也(ye)在(zai)進(jin)步(bu)，而(er)且(qie)對(dui)於(yu)更(geng)豐(feng)富(fu)的(de)用(yong)戶(hu)接(jie)口(kou)的(de)不(bu)斷(duan)需(xu)求(qiu)正(zheng)推(tui)高(gao)此(ci)類(lei)設(she)備(bei)的(de)電(dian)源(yuan)要(yao)求(qiu)。

　　

該(gai)難(nan)題(ti)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)法(fa)之(zhi)一(yi)就(jiu)是(shi)增(zeng)加(jia)從(cong)環(huan)境(jing)中(zhong)收(shou)集(ji)能(neng)量(liang)的(de)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)技(ji)術(shu)的(de)使(shi)用(yong)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)可(ke)用(yong)於(yu)向(xiang)電(dian)池(chi)提(ti)供(gong)穩(wen)定(ding)的(de)涓(juan)流(liu)，從(cong)而(er)延(yan)長(chang)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)的(de)充(chong)電(dian)間(jian)隔(ge)並(bing)以(yi)此(ci)提(ti)升(sheng)終(zhong)端(duan)設(she)計(ji)的(de)吸(xi)引(yin)力(li)。

　　

然而，使用這些技術是麵臨四個工程難題：電能的產生、電能的管理和存儲
、收集元件的尺寸以及成本。多年以來，在新型能量收集方麵已進行了大量研究，但大部分研究還未能推出可以上市的設備。

　　

可穿戴設備本身就需要接近人體，這就提供了多種電能來源的獲取途徑
，因此具有一些關鍵優勢。

　　

電能的產生
 

現xian有you多duo種zhong能neng從cong環huan境jing為wei可ke穿chuan戴dai設she備bei產chan生sheng電dian能neng的de方fang法fa
，但dan在zai工gong程cheng方fang麵mian各ge有you優you劣lie。其qi中zhong，最zui成cheng熟shu的de一yi種zhong便bian是shi多duo年nian來lai一yi直zhi在zai為wei傳chuan統tong手shou表biao提ti供gong電dian力li的de太tai陽yang能neng技ji術shu。太tai陽yang能neng電dian池chi，如ru Panasonic BSG 的 Amorton 和 IXYS 的器件，能直接利用日光供電，且現在已能利用室內照明供電。正如 Silicon Labs 的開發套件展示的那樣，這些器件使用小占空比，能產生足夠的電能
，驅動無線鏈路長達十五年。

圖 1：Silicon Labs 采用太陽能電源的能量收集評估板。

　　

此外，該評估板外形扁平，電池高度僅 0.17 mm，這是進行可穿戴設備設計時的另一關鍵注意事項。 此處的低功耗控製器——Si1012 無線 MCU 是關鍵器件
，能保持僅消耗 50 nA 的低功耗狀態。 能量收集電源在啟用時的漏泄電流約 3 μA，且隻需低至 50 勒(le)克(ke)斯(si)光(guang)照(zhao)射(she)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)即(ji)可(ke)抵(di)消(xiao)。這(zhe)使(shi)得(de)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)電(dian)源(yuan)能(neng)在(zai)長(chang)達(da)七(qi)天(tian)的(de)黑(hei)暗(an)環(huan)境(jing)下(xia)向(xiang)係(xi)統(tong)供(gong)電(dian)，或(huo)者(zhe)如(ru)果(guo)有(you)一(yi)個(ge)能(neng)補(bu)足(zu)損(sun)失(shi)能(neng)量(liang)的(de)周(zhou)期(qi)性(xing)光(guang)源(yuan)
，就(jiu)能(neng)無(wu)期(qi)限(xian)期(qi)向(xiang)為(wei)係(xi)統(tong)供(gong)電(dian)。 該係統在室內 200lx 和戶外 10，000lx 光源下均能工作。

 

然ran而er
，這zhe裏li關guan注zhu的de僅jin是shi無wu線xian連lian接jie而er非fei係xi統tong總zong功gong耗hao要yao求qiu。對dui於yu進jin行xing定ding期qi測ce量liang並bing將jiang測ce量liang值zhi反fan饋kui回hui集ji線xian器qi的de健jian身shen設she備bei，這zhe是shi一yi種zhong理li想xiang的de長chang使shi用yong壽shou命ming方fang法fa。

諸zhu如ru智zhi能neng開kai關guan等deng中zhong央yang集ji線xian器qi需xu要yao較jiao高gao電dian流liu
，且qie其qi它ta技ji術shu正zheng在zai評ping估gu之zhi中zhong。其qi中zhong的de一yi項xiang技ji術shu便bian是shi從cong人ren體ti體ti熱re中zhong收shou集ji熱re能neng。手shou表biao緊jin貼tie皮pi膚fu時shi，可ke以yi通tong過guo Peltier 和 Seebeck 效應利用人體溫差發電。現在，已有商業化的熱電設備能與人體皮膚接觸在 5 度溫差下產生 10 至 20 μW/cm2 功率。兩到三個這樣的器件即可滿足一個健康監視係統的功率要求。

　　

來自韓國 KAIST 研yan究jiu院yuan的de研yan究jiu小xiao組zu已yi開kai發fa出chu一yi種zhong熱re電dian發fa電dian機ji，這zhe種zhong器qi件jian在zai有you機ji基ji底di上shang融rong入ru了le無wu機ji材cai料liao，重zhong量liang極ji輕qing且qie柔rou性xing極ji高gao。這zhe種zhong織zhi物wu型xing基ji底di柔rou韌ren性xing極ji高gao
，彎wan曲qu半ban徑jing達da 20mm，因此可用於緊貼人體皮膚的可穿戴設計中，且基底彎曲時不會改變性能。

圖 2：韓國 KAIST 開發的柔性熱電發電機。

　　

這種發電機采用可以打印到織物上的特殊膏狀 n 型 (Bi2Te3) 和 p 型 (Sb2Te3) 熱電材料。這種膏狀材料覆蓋在織物纖維上方，形成數百微米厚的 TE 材料膜。這樣便形成數百個能夠發電的熱電點，並使研究人員能將發電機重量大幅減小至 0.13 g/cm2 左右。在腕套中，麵積為 10 cm x 10 cm 的原型發電機可產生約 40 mW 功率。

　　

可穿戴設備也通常處於移動狀態
，能為不同的電池充電方法提供新的發電途徑。使用如 Measurement Specialties 提供的 MSP1006 壓電振動傳感器
，可利用設備自身的運動提供電源。把傳感器調諧至使用者的運動共振頻率時（通常 100 Hz 左右），可用來提供電源。 這種想法雖不算新穎——已在自動上發條手表上使用了幾十年，但可利用壓電晶體的彎曲動作發電。 利用運動進行能量收集的新方法正處於調查研究階段

，包括捕獲材料中纖維移動產生的電荷。

圖 3：Measurement Specialties 的 MSP1006 壓電晶體。

 

能neng否fou利li用yong無wu線xian電dian發fa射she產chan生sheng的de電dian場chang收shou集ji電dian能neng，仍reng處chu於yu實shi驗yan室shi研yan究jiu階jie段duan。無wu線xian網wang絡luo的de普pu及ji讓rang我wo們men有you機ji會hui為wei便bian攜xie式shi和he可ke穿chuan戴dai設she備bei收shou集ji這zhe種zhong電dian能neng。然ran而er這zhe種zhong技ji術shu仍reng處chu於yu初chu期qi階jie段duan
，但dan對dui無wu線xian電dian源yuan來lai說shuo極ji有you可ke能neng取qu消xiao充chong電dian電dian纜lan，且qie隻zhi需xu將jiang可ke穿chuan戴dai設she備bei放fang到dao充chong電dian板ban上shang就jiu能neng反fan複fu充chong電dian。

管理和存儲
 

即(ji)使(shi)在(zai)通(tong)過(guo)太(tai)陽(yang)能(neng)或(huo)者(zhe)振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)產(chan)生(sheng)電(dian)能(neng)後(hou)
，仍(reng)需(xu)克(ke)服(fu)幾(ji)個(ge)難(nan)題(ti)。產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)流(liu)可(ke)能(neng)非(fei)常(chang)小(xiao)並(bing)具(ju)有(you)間(jian)歇(xie)性(xing)特(te)點(dian)，而(er)且(qie)收(shou)集(ji)後(hou)才(cai)能(neng)使(shi)用(yong)。同(tong)樣(yang)
，來(lai)自(zi)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)流(liu)必(bi)須(xu)經(jing)過(guo)管(guan)理(li)，然(ran)後(hou)才(cai)能(neng)提(ti)供(gong)給(gei)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)矽(gui)晶(jing)片(pian)。這(zhe)就(jiu)需(xu)要(yao)把(ba)存(cun)儲(chu)元(yuan)件(jian)（從超級電容器到電池）與新一代電源管理芯片組合使用，這種芯片已針對能量收集應用進行了優化，且可在如此低的電流下工作。

　　

zhenduikechuandaixitongdexinxinggenggaomidudianchijishuyizaikaifazhizhong，tanengliyongnengliangshoujiyuandejuanliuchongdiangongneng，wuxusunhaodianchidehuaxuecailiao
，qieqijiantijihenxiao。

 

Linear Technologies 已開發出一款多功能能量收集演示板。利用該演示板，可穿戴係統設計人員可評估所有不同的能量收集源
、評估每種能量收集源的電源管理如何不同。DC2048A 可在設計初期利用壓電、太陽能、熱電能量源或其它任何高阻抗 AC 或 DC 電源。

　　

該評估板內含四個獨立芯片，用於處理不同的能量源和管理工作。LTC3588-1 壓(ya)電(dian)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)電(dian)源(yuan)集(ji)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)低(di)損(sun)耗(hao)全(quan)波(bo)橋(qiao)式(shi)整(zheng)流(liu)器(qi)和(he)一(yi)個(ge)高(gao)效(xiao)率(lv)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，以(yi)適(shi)應(ying)諸(zhu)如(ru)壓(ya)電(dian)或(huo)太(tai)陽(yang)能(neng)等(deng)高(gao)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)能(neng)量(liang)源(yuan)。該(gai)器(qi)件(jian)具(ju)有(you)超(chao)低(di)靜(jing)態(tai)電(dian)流(liu)欠(qian)電(dian)壓(ya)鎖(suo)定(ding) (UVLO) moshiyijiyigekuanzhihouchuangkou
，yincinengzaishurudianrongqishangyizhileijidianhe，zhidaojiangyazhuanhuanqinengyouxiaodijiangyicunchudeyibufendianhechuanshuzhidianyuanguanliqi。gaiqijiandesigeshuchudianya (1.8 V
、2.5 V、3.3 V 和 3.6 V）均可通過引腳選擇，且輸出高達 100 mA 的連續電流，但也可以選擇輸出電容器來匹配較高輸出電流脈衝，以適應如智能手表等性能更高的設計。 設定為 20 V 的輸入保護分流器能在給定輸入電容下存儲更多能量。

　　

另一方麵，LTC3108 是一款可用於熱電發電機的超低電壓 DC/DC 升壓轉換器。這種升壓型拓撲結構的輸入電壓可低至 20mA 並采用一個 2.2 V LDO 向xiang外wai部bu處chu理li器qi供gong電dian，而er主zhu輸shu出chu則ze經jing過guo編bian程cheng後hou用yong作zuo四si個ge固gu定ding電dian壓ya中zhong的de一yi個ge
，向xiang無wu線xian鏈lian路lu供gong電dian。儲chu能neng電dian容rong器qi在zai沒mei有you輸shu入ru電dian壓ya源yuan時shi提ti供gong電dian能neng，這zhe種zhong設she計ji可ke確que保bao輸shu出chu存cun儲chu電dian容rong器qi快kuai速su充chong電dian，以yi使shi供gong電dian平ping穩wen。

圖 4：LTC3108 電源芯片優化用於從熱電設備收集能量。

　　

該評估板上還包括帶功率點控製和 LDO 穩壓器的 LTC3105 升壓 DC/DC 轉換器、LTC3459 10 V 微功耗同步升壓轉換器和 LTC2935-2/LTC2935-4 超(chao)低(di)功(gong)耗(hao)監(jian)控(kong)器(qi)，後(hou)者(zhe)還(hai)包(bao)括(kuo)針(zhen)對(dui)電(dian)源(yuan)故(gu)障(zhang)輸(shu)出(chu)的(de)可(ke)選(xuan)擇(ze)閾(yu)值(zhi)
，以(yi)方(fang)便(bian)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)密(mi)切(qie)監(jian)視(shi)電(dian)源(yuan)。有(you)了(le)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)
，就(jiu)能(neng)利(li)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)源(yuan)評(ping)估(gu)各(ge)種(zhong)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)方(fang)案(an)。

　　

該評估板還提供多個接口和變送器針座
，因此簡化了針座與開發板的連接。此外提供的跳線還可以用不同方式對該板進行配置。 該板標配三個跳線，最大可安裝十個。

　　

尺寸和成本
 

這些技術雖合理完善，但在可穿戴設計方麵卻一直存在一個挑戰——如何減小體積、提升性能，但又不增加成本。利用新型電池化學材料，現在的電池已能做到外形更薄、容量更大，這有助於在嚴格限製尺寸和重量的可穿戴設計中延長電池壽命。作為一種已在使用的新型材料和製造技術，Peltier 和 Seebeck 效xiao應ying熱re電dian發fa電dian機ji的de體ti積ji正zheng變bian得de越yue來lai越yue小xiao
，與yu此ci同tong時shi，太tai陽yang能neng電dian池chi技ji術shu也ye在zai提ti升sheng效xiao率lv，減jian小xiao重zhong量liang，以yi便bian在zai設she計ji中zhong更geng多duo地di使shi用yong太tai陽yang能neng電dian池chi，提ti供gong更geng多duo電dian力li。

　　

作為設計核心的矽器件也在減小體積，降低功耗。 隨著功耗和電壓的降低，微處理器、無線節點和電源管理芯片的晶模麵積在不斷減小

，讓設計人員能更多地滿足可穿戴設計要求。

　　

 

現xian在zai
，可ke穿chuan戴dai設she備bei開kai發fa人ren員yuan能neng利li用yong很hen多duo能neng量liang源yuan從cong環huan境jing中zhong收shou集ji能neng量liang，同tong時shi，對dui於yu電dian池chi使shi用yong壽shou命ming和he高gao性xing能neng的de要yao求qiu正zheng推tui動dong研yan究jiu人ren員yuan探tan索suo新xin的de方fang法fa。從cong簡jian單dan的de健jian身shen傳chuan感gan器qi，到dao作zuo為wei其qi它ta許xu多duo設she備bei的de集ji線xian器qi的de全quan功gong能neng智zhi能neng手shou表biao，人ren們men已yi經jing找zhao到dao多duo種zhong新xin的de方fang法fa利li用yong太tai陽yang能neng、熱(re)或(huo)振(zhen)動(dong)能(neng)量(liang)來(lai)延(yan)長(chang)這(zhe)些(xie)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)。然(ran)而(er)，這(zhe)隻(zhi)是(shi)故(gu)事(shi)的(de)一(yi)章(zhang)。電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)和(he)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)方(fang)麵(mian)的(de)開(kai)發(fa)已(yi)趕(gan)上(shang)這(zhe)些(xie)能(neng)量(liang)源(yuan)的(de)發(fa)展(zhan)步(bu)伐(fa)，提(ti)供(gong)的(de)電(dian)源(yuan)能(neng)夠(gou)良(liang)好(hao)地(di)匹(pi)配(pei)整(zheng)個(ge)設(she)計(ji)的(de)要(yao)求(qiu)。 電池充電間隔是幾天、幾周還是幾個月
，都不會影響可穿戴技術的功能。