隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和5G的飛速發(fā)展，我們日常使用的智能設備的數量正變得越來(lái)越多?，F在我們每個(gè)人都會(huì )用到多種設備，而所有這些設備幾乎都需要充電并對電源進(jìn)行維護。

 

目前可穿戴市場(chǎng)主要由手環(huán)和智能手表所組成。對可穿戴設備來(lái)說(shuō)，最大的挑戰是如何恰當、方便地為它們持續供電。對于目前很多的手環(huán)和手表設計來(lái)說(shuō)，用戶(hù)都必須先把它們脫下來(lái)，插到有線(xiàn)充電器上才能充電（這也是我不愿再用這類(lèi)設備的原因）。即使是采用了電磁感應式充電解決方案——比如蘋(píng)果的iWatch，用戶(hù)也仍然需要把它們脫下來(lái)，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(jué)的方式來(lái)對這些設備充電并使用。讓我們用感覺(jué)不到的新方式來(lái)為可穿戴設備供電，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(kāi)發(fā)成果，來(lái)為大家參考。希望這些成果有助于設計人員開(kāi)發(fā)出業(yè)內迫切需要的創(chuàng )新解決方案。

 

 

現在我們幾乎所有設備都需要單獨充電，因此無(wú)線(xiàn)供電肯定會(huì )是贏(yíng)家，也是我在這類(lèi)應用中的第一選擇。

 

 

可穿戴服裝可能包含多個(gè)智能設備，用它作為配電骨干會(huì )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輸電技術(shù)。參考文獻“Garment level power distribution for wearables using inductive power transfer”中選擇了基于LCL-LCL拓撲而不是串-串（SS）拓撲的電路，因為SS拓撲負載電流會(huì )隨著(zhù)負載（比如電池）變化而變化（見(jiàn)圖1）。

 

圖1：無(wú)線(xiàn)輸電（WPT）設計中所用補償電路拓撲有四種，這里是其中兩種：（a）SS拓撲，（b）LCL-LCL拓撲。

 

上述電路工作在99kHz，可在智能設備之間實(shí)現雙向電能交換。

 

在多個(gè)設備之間進(jìn)行雙向電能共享很有意義。某個(gè)設備（比如智能手機）的電池容量可能比一些小體積的設備（比如健身追蹤器）更大，因此可以用來(lái)給這些更小的設備供電。這樣，穿戴者可以在給智能手機方便充電的同時(shí)，延長(cháng)那些更小設備的使用時(shí)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(jué)的方式設計。采用用柔性材料制造的饋電線(xiàn)圈來(lái)設計是種好方法，見(jiàn)圖2和圖3。

 

圖2：饋電線(xiàn)圈的理想電路圖（a）及其等效電路（b）。

 

圖3：上方是用銅帶制作的柔性饋電線(xiàn)圈；下方是早期用24號硬線(xiàn)做的饋電線(xiàn)圈原型。

 

現在雙向輸電電路可以基于LCL逆變器來(lái)構建，其中，兩個(gè)反相方波分別輸入到四MOSFET逆變器的1號和2號輸入端，見(jiàn)圖4。

 

圖4：雙向感應式電能傳輸電路。

 

整個(gè)系統構建完成后，圖5就是完整的電能共享系統。

 

圖5：完整的電能共享系統原理圖。左邊是發(fā)射器，中間是饋電線(xiàn)圈，右邊是接收線(xiàn)圈。

 

 

保持可穿戴設備始終充電并長(cháng)久運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，對于可能的設計解決方案，一個(gè)例子是毫米波噴墨能量采集方法，可以用在可穿戴設計的柔性電路中（參考文獻“Millimeter-wave Ink-jet Printed RF Energy Harvester for Next Generation Flexible Electronics”）。

 

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

 

這種設計先通過(guò)天線(xiàn)捕獲24GHz信號，然后將信號送到整流器——該整流器前面有一個(gè)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(kāi)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(wú)過(guò)孔直流返回通路取消了信號到地的過(guò)孔，因此不會(huì )產(chǎn)生毫米波頻率下可能產(chǎn)生的嚴重寄生問(wèn)題，詳見(jiàn)圖6。

 

圖6：整流天線(xiàn)開(kāi)發(fā)概念框圖。

 

整個(gè)系統是由柔性液晶聚合物（LCP）基板和用Dimax FujiFilm DMP-2831噴墨打印機打印出來(lái)的銀納米粒子墨水制作的微帶線(xiàn)實(shí)現的。

 

天線(xiàn)采用平面2x2貼片陣列設計，4個(gè)貼片通過(guò)一個(gè)帶3個(gè)T型結點(diǎn)的公共饋電網(wǎng)絡(luò )連接，這3個(gè)T型結點(diǎn)都在同一層上，作為50Ω的輸入饋線(xiàn)，見(jiàn)圖7。

 

圖7：天線(xiàn)版圖。天線(xiàn)尺寸可以在前述參考文獻中找到。

 

在這個(gè)設計的實(shí)驗中，LED燈被空中傳過(guò)來(lái)的24GHz信號成功點(diǎn)亮。

 

 

我最近和Powercast公司的首席運營(yíng)官/首席技術(shù)官Charles Greene博士談?wù)摿嗽摴镜目纱┐髟O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(jiàn)圖8。

 

圖8：Powercast公司的無(wú)線(xiàn)再充電解決方案。

 

可穿戴設備設計人員可以將Powercast公司的Powerharvester IC嵌入到可穿戴設備中，為一個(gè)或多個(gè)設備提供一定距離的無(wú)線(xiàn)充電。通過(guò)收集ISM頻段的射頻能量，這種IC可以向可穿戴設備的電池提供涓流充電。這種方法支持可水洗的密封設備。

 

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備。

 

在壁櫥或梳妝臺抽屜中可以安裝類(lèi)似手機發(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域。不管可穿戴設備是在壁櫥里還是在抽屜里，這些設備的電池都能自動(dòng)接收涓流充電。這種方法與接收器需要依賴(lài)一定頻率范圍內的隨機射頻信號的場(chǎng)景不相干。圖9給出了射頻電源種類(lèi)。

 

圖9：Charles Greene博士在2017年美國傳感器博覽會(huì )上的演講中提到的射頻電源種類(lèi)。

 

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換器設計，接下來(lái)看看這家公司管理他們系統的方式。

 

 

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(huì )很難預測。通過(guò)提供其自己的射頻能源，系統就能獲取穩定的能量流。雖然在沒(méi)有電的偏遠地區，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(chǎng)，特別是可穿戴設備市場(chǎng)，可以使用專(zhuān)門(mén)、可靠的無(wú)線(xiàn)發(fā)射器。

 

圖10是距離可以從幾英寸到超過(guò)100英尺的典型專(zhuān)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。

 

圖10：Powercast系統可以為支持的設備提供自動(dòng)充電，參數可以根據特定設計需求進(jìn)行控制。這些參數有功率等級、頻率、發(fā)射/接收天線(xiàn)增益和發(fā)射器數量、距離、設備工作周期以及系統成本。

 

 

用弗里斯傳輸公式可以計算在發(fā)射天線(xiàn)增益為G2、距離為r、工作頻率為f或波長(cháng)為λ的條件下，從增益為G1的接收天線(xiàn)收到的功率。Greene博士的設計就是從弗里斯公式開(kāi)始的。

 

注：以下公式假設是遠距離工作（隨著(zhù)r趨向于0，接收到的功率將趨向于無(wú)限大，因此這些公式使用有限制）。

 

事實(shí)上，單位為W/m2的功率密度(S)與頻率不相關(guān)：

 

 

其中： PT是發(fā)射功率； r是天線(xiàn)范圍或距離； ΓT是發(fā)射器反射系數； GT(θT,ΦT)是與角度有關(guān)的發(fā)射器增益。

 

天線(xiàn)的有效面積（Ae）與頻率的平方成反比：

 

 

 

因此，如果特定設備允許的話(huà)，增加天線(xiàn)尺寸會(huì )使信號在較高頻率下方向性更好。下面是基于雷達公式的計算：

 

 

其中： PR是接收到的數據功率； 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(xiàn)尺寸自然而然取決于接收設備的尺寸（例如，游戲控制器用915MHz雙極子天線(xiàn)，或助聽(tīng)器等類(lèi)似設備用2.4GHz或5.8GHz雙極子天線(xiàn)）。

 

 

Powercaster TX 91501發(fā)射器采用免許可ISM頻段的915MHz中心頻率，并采用直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)對功率進(jìn)行調制——DSSS是一種將原始數據信號乘以偽隨機噪聲擴展編碼的擴頻技術(shù)。擴展編碼具有更高的碼片速率（編碼比特率），支持寬帶連續時(shí)間加擾信號。軍方使用這種技術(shù)來(lái)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。

 

數據則是采用幅移鍵控（ASK）數字調制方案，即給正弦信號賦予兩個(gè)或多個(gè)與數字信息所采用的電平個(gè)數相對應的離散幅度電平。已調波形一般看起來(lái)像是一串正弦信號。

 

 

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，見(jiàn)圖11。

 

圖11：接收側電源用Powerharvester芯片。

 

另外還有基于PCC110和PCC210 IC的P1110和P2110模塊，見(jiàn)圖12。

 

圖12：Powercast模塊是射頻進(jìn)、直流出的、具有高射頻至直流轉換效率（關(guān)鍵參數之一）的器件。它們設計用于50Ω天線(xiàn)，支持840MHz-960MHz范圍內的多個(gè)頻段。

 

 

圖13：降壓式涓流充電案例。

 

圖14：消費類(lèi)電子設備可以在晚上不使用時(shí)通過(guò)圖中央的PowerSport發(fā)射器進(jìn)行充電。

 

 

TI推出了一種可行、可擴展的可穿戴設備用電源解決方案，可以用于手表、手環(huán)等可穿戴設備（見(jiàn)參考文獻“Power Management Reference Design for a Wearable Device with Wireless Charging Using the bq51003 and bq25120”）。與這種方案類(lèi)似的參考設計使設計人員能夠發(fā)揮他們的智慧和創(chuàng )造性，為可穿戴設備提供創(chuàng )新的供電技術(shù)，見(jiàn)圖15。

 

圖15：TI可穿戴設備用無(wú)線(xiàn)供電解決方案框圖。

 

凌力爾特公司（現ADI公司的一部分）的醫療用可穿戴設備和可擴展電源解決方案

 

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(wú)線(xiàn)系統網(wǎng)絡(luò )和充電電池進(jìn)行供電，見(jiàn)圖16。

 

圖16：采用熱電發(fā)生器供電的能量采集設計可以延長(cháng)原電池的壽命。

 

凌力爾特還有一款LTC3331，用來(lái)將來(lái)自多種能源的能量轉換給可穿戴設備供電，見(jiàn)圖17。

 

圖17：LTC3331有一個(gè)全波橋式整流器，用于接收來(lái)自壓電（交流能量）、太陽(yáng)能（直流能量）和磁能（交流能量）等能源的輸入。

 

 

Vesper公司有一種非常好的節能解決方案，可以用于可穿戴設備的語(yǔ)音控制，請參考“Wake up and listen: Vesper quiescent-sensing MEMS device innovation”這篇文章。

 

 

我不敢肯定Intel對這項業(yè)務(wù)會(huì )堅持多久，但他們已經(jīng)用他們的14nm工藝開(kāi)發(fā)出了一款低功耗的“始終運行”（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(kāi)發(fā)了其Curie模塊。Intel公司新業(yè)務(wù)部門(mén)副總裁兼總經(jīng)理Jerry Bautista表示，他們認為數據特別有價(jià)值，而可穿戴設備有助于收集特別是生物識別方面的更多信息?？纱┐髟O備屬于邊緣設備，它們在收集到數據后，將其送入到大的數據流中，發(fā)送給云服務(wù)器進(jìn)行分析。對于Intel公司，降低這類(lèi)設備的功耗至關(guān)重要。

 

我興奮并樂(lè )觀(guān)地預測，下一代可穿戴設備用創(chuàng )新電源解決方案對用戶(hù)來(lái)說(shuō)實(shí)際上將會(huì )是看不見(jiàn)的。如果夢(mèng)想成真，那也是我重新戴上智能手表的時(shí)候。

 

本文轉載自電子技術(shù)設計。