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。 xuduozhinengshoubiaobixutiantianchongdian

，ergengduodezhuanyejianshenshebeisuirangongzuoshijianhenchang

，danzaigongnenghelianjiexingfangmianrengcunzaibuzu。youyuyuelaiyueduodiyaoqiuyuhulianwangyijiwulianwangzhongdeqitashebeilianjie，shejizhongdewuxianhejisuanyuanjianduidianyuandeyaoqiuyeyuelaiyuegao。tongyang
，jienengxianshiqijishuyezaijinbu，erqieduiyugengfengfudeyonghujiekoudebuduanxuqiuzhengtuigaocileishebeidedianyuanyaoqiu。

　　

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
 

xianyouduozhongnengconghuanjingweikechuandaishebeichanshengdiannengdefangfa，danzaigongchengfangmiangeyouyoulie。qizhong，zuichengshudeyizhongbianshiduonianlaiyizhizaiweichuantongshoubiaotigongdianlidetaiyangnengjishu。taiyangnengdianchi，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 lekesiguangzhaoshetaiyangnengdianchijikedixiao。zheshidenengliangshoujidianyuannengzaichangdaqitiandeheianhuanjingxiaxiangxitonggongdian，huozheruguoyouyigenengbuzusunshinengliangdezhouqixingguangyuan
，jiunengwuqixianqixiangweixitonggongdian。 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 yanjiuyuandeyanjiuxiaozuyikaifachuyizhongredianfadianji
，zhezhongqijianzaiyoujijidishangrongrulewujicailiao
，zhongliangjiqingqierouxingjigao。zhezhongzhiwuxingjidirourenxingjigao，wanqubanjingda 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。

 

nengfouliyongwuxiandianfashechanshengdedianchangshoujidianneng，rengchuyushiyanshiyanjiujieduan。wuxianwangluodepujirangwomenyoujihuiweibianxieshihekechuandaishebeishoujizhezhongdianneng。ranerzhezhongjishurengchuyuchuqijieduan，danduiwuxiandianyuanlaishuojiyoukenengquxiaochongdiandianlan，qiezhixujiangkechuandaishebeifangdaochongdianbanshangjiunengfanfuchongdian。

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。

　　

針(zhen)對(dui)可(ke)穿(chuan)戴(dai)係(xi)統(tong)的(de)新(xin)型(xing)更(geng)高(gao)密(mi)度(du)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)已(yi)在(zai)開(kai)發(fa)之(zhi)中(zhong)，它(ta)能(neng)利(li)用(yong)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)源(yuan)的(de)涓(juan)流(liu)充(chong)電(dian)功(gong)能(neng)
，無(wu)需(xu)損(sun)耗(hao)電(dian)池(chi)的(de)化(hua)學(xue)材(cai)料(liao)，且(qie)器(qi)件(jian)體(ti)積(ji)很(hen)小(xiao)。

 

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
、rehuozhendongnenglianglaiyanchangzhexiekechuandaishejizhongdedianchishouming。raner，zhezhishigushideyizhang。dianchijishuhedianyuanguanlifangmiandekaifayiganshangzhexienengliangyuandefazhanbufa，tigongdedianyuannenggoulianghaodipipeizhenggeshejideyaoqiu。 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。