以超低功耗预算来设计可穿戴装置的七大策略

作者：Philip Ling

可穿戴装置的设计要求在嵌入式系统中是独特的。设计工程师无法自由地以尺寸换取重量，或是以性能换取功率。对于可穿戴装置而言，越小不仅是越好，而且是必要的。

随着半导体技术的发展，出现了具有更低耗散功率且更小的集成装置。这些都是扩展可穿戴技术潜在应用的重要贡献者。工程师拥有更多的设计自由，可以使用功能更强大的集成装置。

如今，大多数可穿戴产品都戴在手腕上。智能手表是多功能的，但追踪活动的健康手环也越来越受欢迎。健身和健康与医疗和保健密切相关，因此在这个情况下，戴在手腕上主要是为了方便。手腕是一个监测运动和脉搏率的好位置。心脏的健康也可以使用心电图方法来测量，而手腕是提供了一个接触点。

换能器提供物理域和数字域之间的接口。电子(基于MEMS的惯性测量)和机械(Piezo)传感器是最著名的。其他类型的传感器也已存在并正在开发中，特别是用于可穿戴医疗装置。光学传感器使用不同的波长穿透皮肤至一定深度，并分析反射来了解佩戴者的健康状况。同样的，近场射频(NFC)传感器可以检测呼吸模式和肺活量。微流体生物传感器用于可穿戴医疗装置来检测汗液中的标记物。

未来的可穿戴技术将更符合我们自己的感官。智能的耳饰和眼镜利用增强和虚拟现实的技术，可用于所有类型的垂直产业。包括脚部和手部在内的衣饰，透过更准确地追踪穿着者的动作来提供更加个性化的体验。

可穿戴装置惊人的成长

可穿戴装置在应用上各不相同，但因为同在一个市场领域，具有共同的特征。可穿戴装置需要尽可能不引人注目，这表示尺寸和重量将推动主要的设计。小型集成装置的可用性是解决方案的一部分，但为装置供电将是最根本的能力。虽然许多自供电可穿戴传感器的研究正在进行，但绝大多数的装置仍需要电池。

可穿戴装置的新电池技术

电池容量也受到尺寸的限制。普及的CR2032钮扣电池直径为20 毫米，厚度为 3.2 毫米。 在3 V电压下提供220 mAh的功率。如果使用容量为220 mAh的电池让可穿戴装置使用一周的时间，该装置平均需要消耗大约130 uA。

用电动汽车来做比较，电动汽车每千瓦时功率(kWh)将回充大约5英里的续航里程。报导指出，电动汽车电池的能量密度约为250 Wh/kg。续航里程为500英里的电池重量约为400公斤，而续航里程为200英里的电池重量约为160公斤。这同样适用于任何电池供电的设备，包括可穿戴装置。电池越大，电池充电或再充电之间的可用寿命越长，但装置会更大、更重，并且可能更昂贵。

电动汽车市场目前采用固态锂电池技术。据报导，因为采用固体电解质，它比锂离子技术更为安全。这种本质上的安全表示电池外壳可以更薄，进而减轻整体重量并提高能量密度。对于固态微电池形式的可穿戴装置来说也是如此。这个领域的领导者指出固态微型电池的能量密度是传统锂离子钮扣电池的两倍。

随着产业转向身体用的可穿戴装置，电池的形状变得更加弹性。例如：软锂离子可充电电池可以制造成柔软的小袋子。这个格式支持功率密度相对较轻的较大电池。例如，透过将这些电池结合到织物中，可以用于智能服装。

超低功耗制程技术

半导体产业对电力功率十分了解，这不仅关系到一个设备使用多少有源功率有关；随着晶体管密度的增加，它还影响到一个设备可以耗散的热量。晶体管缩放和能量密度之间有关联，因此开发低功耗制程对半导体集成的未来是非常重要的。

着时间推移，出现了几种制程技术。其中包括「全空乏绝缘上覆硅」 (FD-SOI)，它在体基板上增加了一个绝缘层来减少主体电容。这提高了速度并降低了噪声，可以用来降低工作电压，进而降低功耗。而较低的噪声也促使一些制造商将其用于模拟IC。

另一项创新技术是在低于传统阈值的电压下操作晶体管。由于相同的原理，这种所谓的数字IC 亚阈值方法可以节省功率；较低的工作电压等于较低的功率。

高性能和低功耗并其实不能真正配合。为了提高性能，半导体产业不久前转向了鳍式场效晶体管(FinFET)，但该技术是最近才被用于超低功耗应用。大多数低功耗技术仍然依赖于平面晶体管制程，但FinFET可能是可穿戴技术中的下一个重要小东西。

制程技术不断发展，超低功耗成为设计目标之一

目前正在生产的三种半导体工艺技术，包括用于平面体CMOS硅、用于低噪声和快速操作的全空乏绝缘上覆硅(FD-SOI) 以及用于高性能的鳍式场效晶体管(FinFET)

节电电路特性

节能更超越了制程技术。技术不断出现，特别是用于降低有效功率。骨牌式逻辑电路(Domino logic)并非一项新技术，但研究人员继续探索其低功耗的发展潜力，尤其是在亚阈值制程中使用时。骨牌式电路与动态电路相关，而动态电路使用时钟进行组合逻辑，与不使用时钟的静态电路形成对比。

异步逻辑电路扩展了无时钟电路的概念。这种方法使用功能块之间的协议来指示一个块的结果何时对下一个功能块有效，而不是将所有内容同步到时钟边缘。当功率密度成为一个问题时，可以利用异步逻辑的优势。移除时钟避免了当所有功能块实时切换到共同时钟时可能发生的电源电流瞬时激增。有关于异步逻辑如何支持更低的电源轨电压的研究正在进行。

处理器制造商开发的其他技术包括电压和时钟缩放，在处理器需求较低的时候降低两者。这仍然主要是为了解决有效功耗问题，而待机、睡眠和深度睡眠模式则侧重于静态功耗。减少静态功耗的技术包括时钟和电压门控，当电路块不使用时，会从电路块中移除时钟或是电源轨。当在没有电源或信号触发开关的情况下，这些区域中的CMOS晶体管不会消耗功率。

ULP 电源管理

电源管理ICs或称PMIC，在单个装置中提供电压调节、转换和电源保护。这些功能对于大多数产品来说都很重要，但对于要求超低功耗运行的电池供电装置而言，更为关键。

高度整合的PMIC提供的功能包括电源管理设备所提供的标准保护，例如过压、欠压、电流保护和短路保护。针对可充电设备的PMIC还包括电池充电管理、电池保护（热、深度放电）和运行期间的电池电压监控。

其他专为可穿戴装置等超低功耗装置所设计的功能则包括待机模式。这会将PMIC本身置于超低功耗模式，在不使用可穿戴装置时降低静态电流。

在有效模式下，高度整合的超低功耗PMIC可能包括可编程降压升压转换器和低压降稳压器 (LDO)，来为产品的IC供电，即便是需要不同的电源电压。监控功能可能包括一个带电源循环的看门狗电路机制，以及一个用于与主机微控制器通讯的数字接口。PMIC可以是超低功耗设计策略的重要部分，因为PMIC通常会充分利用电池中的可用能量并提供电压门控。

低功耗显示技术

发光二极管技术不断发展，提供更高的像素密度和更低的功率。主动矩阵有机发光二极管(AMOLED) 技术已受到智能手机制造商的欢迎，并且预计将主导可折迭屏幕的市场。在可穿戴装置中的应用也在增加，许多智能手表都使用AMOLED显示器。

近年来最有前途的发展之一是microLED数组。microLED的光输出，以尼特(烛光每平方米cd/m2)为测量单位，可比OLED技术高出好几倍。这表示microLED只需要较少的功率来提供与其他显示器相同的尼特。

和其他显示器相同，microLED 是基于三个（红色、绿色、蓝色）非常小的LED像素数组。 显示器的制造使用拾取并放置方法将microLED定位在基板上，或是不需要额外拾放过程的单体技术。与拾放技术相比，单体microLED技术可以支持更小的像素间距，因此它对小型可穿戴显示器而言很有吸引力，尤其是眼镜。

其他低功率显示器技术包括电子纸。电子纸的主要优点是无须电源来操作。电子显示像素透过将颜料悬浮在电解质中来运作。当偏振时，颜料的方向会发生变化。而入射光不是被反射，就是穿过像素。因为这个技术不会发光，阅读显示器需要光源，而且显示器通常不包括背光。然而，它们在阳光直射下仍可阅读，这使电子纸成为电子阅读器的热门选择。

电子纸的主要优点为它是双稳定的，这表示着无须电源即可将图像保留在屏幕上。这对超低功耗应用而言极具吸引力。随着技术的发展，灵活的解决方案可以在智能服装或可直接用于皮肤上的可穿戴装置中找到适合的应用。

超低功耗无线通信

无线连接不是可穿戴技术的先决条件，因为许多应用程序可以透过有线连接进行同步，例如扩展基座，它也可以为电池充电。然而，早期和目前始终在线、始终连接的可穿戴装置之体验，已经建立了消费者的期望。因此，无线通信对于未来的可穿戴技术来说似乎是不可或缺的。

蓝牙仍然是点对点应用中首选的无线技术。虽然可穿戴装置可采用网状网络模型，但可穿戴技术的特质显示点对应用可能最能受到青睐。

最近对蓝牙规范的修订，从版本5.0开始，主要重点在将蓝牙的适用性扩展到智能应用程序。虽然这并未直接解决功耗问题，但蓝牙低功耗或称BLE（随版本4.0引入）仍然设法在超低功耗应用中提供出色的性能。

如果位置追踪是可穿戴装置的一项重要功能，那么蓝牙5.1版本以上将是一个很具吸引力的选择。透过为RF信号提供到达角(AoA)和离开角(AoD)来支持定位和追踪。当与已知位置的信标一起使用时，可用来确定位置。

一些可穿戴装置可能需要通过互联网直接寻址，因此基于IP的网状网络协议可能会更适合。 选项包括6LowPAN和Thread，以及 Wi-Fi。现在有几个系统单芯片(SoC)的例子，提供与微控制器内核一起集成的多协议无线电，可以满足可穿戴装置市场的这部份需求。

近场通讯 (NFC) 是另一种进入可穿戴装置领域的无线技术。NFC可以为可穿戴传感器提供电力和数据，为小型电池充电并交换数据。对于不需要始终连网但可始终在线的可穿戴装置来说，这是一个可行的选择。

可穿戴装置的实验室芯片

将数字处理与模拟前端整合起来用于生物医学感测的想法已经存在了一段时间。这个领域仍然在持续发展，但更着重于使医疗设备可以穿戴。

这些高度整合的装置将超低功耗处理与专用传感器接口相结合。这使得它们比大多数IC的通用性更低，而这表示市场本身正在走向成熟。

光学传感器在这种情况下运作效果很好，因为它们提供了一种监测生命统计数据的非侵入性方式，并且可以放置在身体周围的各个地方。制造商现在在将光子组件与逻辑整合在一起，来建立实验室芯片解决方案。相同地，手腕成为这些IC所支持的可穿戴装置最受欢迎的位置。

可穿戴电子产品的未来

对于可穿戴技术的预测一直都很乐观。最大的发展潜力持续锁定在用于家庭健康和医疗应用的可穿戴技术上。而整合装置是推动市场成长的关键；在一般情况下，IC制造商一定希望在投入过多时间、金钱和精力开发所需解决方案之前就能看到市场真正的潜力。

一旦做出决策，这些解决方案的出现仍然需要时间。半导体市场的动态可能会让创新者和初创企业感到沮丧，因为他们会希望推出的新应用能够抓住消费者的心。而在可穿戴装置领域就有很多这样的应用。

但有证据显示这些解决方案现在就可以使用。在消费品产业中，智能手表和健康追踪器目前是可穿戴技术的主要例子，而且销量还在不断扩大。而医疗装置产业对制造商来说非常有趣，但市场动态显然和其他产业不同。另外，增强现实技术已准备好彻底改变工业垂直领域。

这或许是可穿戴技术现在面临的最大挑战。在终端应用方面，它是非常分散的。很少有其他行业面临如此程度的分散。然而基本上来说，使用技术大部分是相同的。OEM需要利用这些技术来创造真正解决问题或改善特定应用领域情况的新产品。

安富利的业务遍及所有垂直产业和各个市场领域。工程师正在与客户合作探索新的解决方案，并准备帮助OEM找出适合其应用的技术。