工程師在穿戴式技術環境中必須處理的主要設計問題是整體緊湊性和功耗預算。前者將為佩戴者帶來更大的舒適度，而後者則有利於長時間操作—兩者都鼓勵更多的使用。然而，這些功能可能會對彼此產生不利影響。

儘管微電子元件的物理尺寸不斷減小，但其複雜程度卻不斷上升，所以可提供新的特性和功能。因此，這對可用電池資源造成了壓力。所採用的電池管理技術必須提供快速充電功能，使穿戴式裝置能夠供電足夠的小時數，以避免頻繁充電，進而對使用者體驗產生不利影響。這就需要在電源管理積體電路 （PMIC）方面進行創新。

現代可穿戴裝置允許佩戴者監測各種重要參數。根據裝置的特定目標，某些值比其他值更重要。設備在身體上的位置會顯著影響可以量測或不能量測的內容。一般來說，最合適的位置是手腕，因為它提供了監測健康/健身相關參數的最佳點，並且還可以讓佩戴者輕鬆檢查擷取的數據。

顯然，面臨的挑戰是找到一種方法來支援超低功耗作業，同時仍可實現緊湊的外形尺寸。流線型、輕量化的設計將最吸引消費者，並見證更廣泛的商業應用。因此，工程師在產品開發階段必須牢記這一點。相反，穿戴式裝置的結構限制了電池的尺寸，從而限制了其運行時間。消費者最常見的困擾之一是產品的電池壽命不夠。

電源管理設計：高效率能源管理

保持最低功耗水平以及受產品外形尺寸限制的電池的動態發展，迫使設計團隊做出困難的電路佈局選擇，以獲得完全優化的終端產品。穿戴式裝置必須能夠包含不同的多媒體和感測功能，並具有足夠的電池資源，同時又不能太笨重。通常使用的方法是根據特定的功耗需求，將設計分為類比和數位模組，然後相應地對其進行最佳化，許多電路域可以在不需要時停用，但其他電路域則依賴連續運作。

典型的穿戴式架構將包括以下元件：微控制器、記憶體、小型顯示器、適當的感測器機制、通訊 IC 以及隨附的電源管理電路。電源管理方面將包括負責充電的PMIC，以及各種降壓轉換器和多個低壓差（LDO）穩壓器以支援藍牙和 Wi-Fi連線。

穿戴式裝置的電源管理系統需要覆蓋多個電壓軌，一個用於微控制器，一個用於顯示器，另一個通常用於感測器（見圖一）。微控制器和感測器大部分時間都處於睡眠模式，但會醒來執行預定功能或回應使用者輸入。許多可穿戴感測器的工作電壓低至0.8V。如果負載非常活躍（例如每隔幾秒鐘執行一次採樣的心臟感測器），則微控制器的電流消耗通常估計在每MHz 35μA到40μA之間，因此在尋求支援時，超低功耗設計是一個主要關注點。

圖一 : 穿戴式裝置的典型電路架構（source：Renesas）

電源管理系統以兩種不同的形式執行DC/DC電源轉換：

‧透過線性穩壓器—可完全整合到PMIC晶片中並具有電壓可擴展性。

‧透過基於電感器的開關穩壓器—效率高且具電壓可擴展性，但往往是分立式的而不是整合式的。

這些調節器在物理尺寸、靈活性、效率等方面有所不同。

‧使用超低IQ穩壓器可能是合適的，因為它們會降低「始終處於活動狀態」的感測器或週邊的待機功耗，這些有助於延長電池壽命並支持使用較小的電池。

‧當穿戴式裝置使用、進行量測或進行資料傳輸時，高效率的穩壓器可顯著降低有功功率。

‧整合使複雜的電源架構能夠在空間限制嚴格的專案中實施。

選擇合適的穩壓器是最大限度提高效率的關鍵因素，還需要評估活動模式和待機模式下的當前功耗，使用具有強阻抗匹配的介面有助於滿足低電流要求並延長電池壽命。Renesas的ISL9016等尖端LDO控制器可以在每個通道上提供高達150mA的電流。此元件配備高達200mΩ的靜電電阻（ESR）。 ISL9016也能夠在啟用單一LDO的情況下以非常低的靜態電流運作（圖二）。

圖二 : Renesas ISL9016 LDO控制器的靜態電流與輸入電壓的關係（VOUT1 = 3.3V，僅LDO1啟用）。 （source：Renesas）

儘管開關配置比使用LDO更有效率，但它需要各種電感器來提供不同的電壓軌，這些都會增加成本和尺寸，因此在穿戴式裝置的設計中基本上是不切實際的。電源管理的首選架構將是單電感器多輸出（SIMO），而不是增加元件數量和物料清單，以及占用更多的電路板空間。

SIMO降壓-升壓穩壓器IC，例如Maxim Integrated MAX77650（圖三），具有單一電感器，可根據電路要求在寬範圍內調節多達三個輸出電壓，指定它可以消除對某些分立組件的需求，從而節省空間。

圖三 : Maxim Integrated的MAX77650是一款高度整合的電池充電和電源解決方案，適用於低功耗穿戴式應用。（source：Maxim Integrated）

電池容量與產品尺寸

一個典型的設計問題是在各種使用場景下保持電池壽命。智慧型手錶的空間通常只能容納一顆電壓為3.8V、容量為130mAh至410mAh的單顆鋰離子電池，鋰離子是小型可充電電池中最受歡迎的化學物質。電池管理和充電系統的目標是在充電和操作過程中仔細監控電流、電壓和溫度，主要挑戰是最大限度地降低系統本身的功耗水平、減少充電所需的時間，以及最大限度地提高可用電池電量。高度整合的Texas Instruments BQ25100專為給單節鋰離子電池充電而設計，並允許使用具有非穩定輸出的低成本網路適配器，該PMIC還可以處理其他電池化學成分，例如鋰聚合物。

儘管與其他電池技術相比，鋰離子電池占據了更多的市場，但它們在功率、尺寸和充電次數方面永遠無法與超級電容器競爭。隨著穿戴式裝置變得越來越小，其內部空間變得越來越寶貴，目前的趨勢是超級電容器取代可充電電池，提供一種基於奈米技術的新能源儲存方式。與電池不同，超級電容器能夠很好地適應能量收集裝置，並且可以在幾秒鐘內充電。它們還可以承受幾乎無限的充電週期。

AVX的PrizmaCap是棱柱形超級電容器，可單獨使用或與一次或二次電池結合使用，以幫助延長備用時間、電池壽命或根據需要提供瞬時功率脈衝。它們最適合用於穿戴式裝置等應用，以及需要脈衝功率處理或能量儲存的空間受限設計。

人們正在研究能量收集解決方案，作為穿戴式裝置永久使用的輔助能源，而不受超低功耗設計的限制。一個有趣的方法是透過利用不同材料層的相對運動來產生小電流，這個過程稱為「摩擦起電」（triboelectric charging）。這些材料會獲得電荷，因為它們在相互移動時會產生摩擦，透過將不同的材料層放在兩個導電電極之間，日常人體運動可以產生幾微瓦的功率，有助於為穿戴式裝置的電池充電，從而優化電源系統的運作。

結論

專用且日益高效的硬體的出現正在將可穿戴市場引向大量的行動裝置。新型PMIC以及Microchip和Analog Devices等公司專用SoC的推出，將使最新一代的可穿戴裝置在能源效率、運算能力和緊湊性之間找到適當的平衡。當電子設備小到耳機或醫療貼片時，電池的容量將受到限制。廣泛的工程方法可以幫助找到延長電池壽命的解決方案，從而節省每一個微安培（μA）的可用能源。

（本文作者Mark Patrick於貿澤歐洲、中東和非洲（EMEA）團隊）

**刊頭圖（source：Maridav）