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突破能量采集限制,激发下一代可穿戴医疗设备自驱性!

来源:ADI 发布时间:2021-12-29 1632
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用户对智能可穿戴设备的续航时间提出了更高的要求,这就需要更大的电池容量、更长的电池寿命,同时笨重的电池设计肯定不可取。对此,业界选择了能量收集解决方案,利用低功耗能量采集技术将微弱的环境能量采集起来,并能高效转换成电能,以给电子设备供电。亚德诺半导体(ADI)作为致力于搭建连接现实世界和数字世界的智能化桥梁的半导体公司推出了多种面向能量收集应用的超低功率 IC来满足业界对可穿戴设备的各种需求。

随着现代科技发展,个人健康保护意识不断加强,社会老龄化、年轻人身体亚健康状态愈加普遍等问题的展露,智能可穿戴设备逐渐走入医养领域。此趋势不但打破传统医疗设备的藩篱,给患者和其家属带来便利,改善治疗体验,提高生活质量,同时也有希望帮助医疗系统减轻负担。根据第三方咨询数据显示,全球智能可穿戴医疗设备行业在过去几年内呈现井喷之势发展,2016年全球可穿戴医疗设备市场总销售额为20亿美元,预计2020年有望超过45亿美元, 2020年至2027年之间的复合年增长率为25.78%,产业发展充满活力。


与此同时,挑战也随之而来。用户对智能可穿戴设备的续航时间提出了更高的要求,这就需要更大的电池容量、更长的电池寿命,同时笨重的电池设计肯定不可取。对此,业界选择了能量收集解决方案,利用低功耗能量采集技术将微弱的环境能量采集起来,并能高效转换成电能,以给电子设备供电。目前常见的环境能量多来自于热能、振动以及光能,亚德诺半导体(ADI)作为致力于搭建连接现实世界和数字世界的智能化桥梁的半导体公司推出了多种面向能量收集应用的超低功率 IC来满足业界对可穿戴设备的各种需求。


支持超低输入电压,保证热电收集稳定运行!


热能收集是指捕获环境中随处可得的热量,或收集发动机、人体和其他来源排出的废能并重新投入使用的过程。通过塞贝克效应可以实现将热能直接转换成电能,通过适当设计的热电装置诱发的热流产生电压和电流。当前,可穿戴医疗电子产品就正在应用体温加热装置提供热电。然而在实际的应用场景中,捕捉人体热能时出现输入电压极低的情况总是不可避免。


对此,ADI推出了一款能在输入电压低至20mV的情况下正常运作的紧凑、简单和高度集成单片式电源管理解决方案LTC3109,可解决超低输入电压源的能量收集问题,其利用一个热电发生器(TEG)来为无线传感器供电,能从小至2°C的温度差(ΔT)收集能量。


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重要的是,LTC3109还采用一个现成有售的小型(6mmx6mm)升压变压器和少量的低成本电容器,采用这些升压变压器和内部MOSFET形成了一个谐振振荡器,该振荡器能够采用非常低的输入电压运作。利用一个1:100的变压器匝数比,此转换器能依靠低至30mV的输入实现启动,这与输入的极性无关。变压器副端绕组负责为一个充电泵和整流器电路馈电,这用于给IC供电(通过VAUX引脚)及对输出电容器进行充电。2.2V LDO输出被设计为首先处于调节状态。以尽快地为一个低功率微处理器供电。之后,主输出电容器被充电至由VS1和VS2引脚设置的电压(2.35V、3.3V、4.1V 或5.0V),以给传感器、模拟电路、RF收发器供电,甚至给一个超级电容器或电池充电。


简化功率转换设计,为关键组件持续供电!


振动能量收集,是利用旋转机器或人体运动产生的相关自然低电平电源,它们可以产生数百微瓦或一毫瓦的能量。振动能量收集常用的压电传感器是一种不对称晶体,这种材料的晶格单元具有不对称性,可以建立这样一种机制,即通过使晶体变形而造成小电位差。但是,为了“调整”压电传感器的特性,必须充分了解振动物体的频率分布并找到其谐振频率。


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LTC3588方框图


为了更好地利用压电传感器的特性,特别是人体运动时,要充分理解就需要采用加速度计测量物体的振动,并通过快速傅里叶变换(FFT)获得的数据分析其频率特性,从而找到谐振频率。面对这样繁琐的步骤,ADI推出了一款压电式能量收集电源LTC3588-1,极大地简化了从振动能源收集剩余能量的工作。LTC3588-1 集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器,以通过压电传感器收集环境中的振动能量,然后将这种能量转换成良好调节的输出,为应用微控制器、传感器、数据转换器和无线传输组件供电。


高效捕捉光伏能量,适应户外恶劣天气!


太阳能在自然界中广泛存在且包含巨大的能量。通过利用半导体材料的光电转换特性,可以将太阳能转换成电能。但其局限性也非常明显,比如采用太阳能电池供电的室内传感器,以及可穿戴设备被衣物等遮挡时,太阳能电池受到的光照可能很少,进而产生的电能也非常少。对此,ADI推出具有低静态电流特性的ADP5091/2,面向那些在非最优情况下花了很多时间的系统而设计。


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通过ADP5091/ ADP5092收集到的能量可对储能元件(如可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容和传统电容)进行充电,并对小型电子设备和无电池系统上电,可以采集能量从16uW到600 mW范围的高效转换,利用内部冷启动电路,调节器可在低至380 mV的输入电压下启动。冷启动后,调节器便可在80 mV至3.3 V的输入电压范围内正常工作。额外的150mA调节输出可通过外部电阻分压器或VID引脚编程。而可重复充电的电池种类有锂电池/磷酸锂铁电池/超级电容等,这些电池电压从3.2V到5V,而ADP5091/ ADP5092的充电截止电压为2.2V到5.2V,完全可以满足目前市场上常用的电池种类及应用。


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基于ADP5091/2的能量采集器电路


写在最后


在科技发展的大趋势以及疫情的影响下,智能可穿戴医疗设备将会得到进一步的普及。未来,多种泛在能源的集成和调度使用或可实现连续能源供应,提高可穿戴智能设备作为电池供电联网设备的自主性,这将大幅提升可穿戴智能设备的用户体验,也将进一步把可穿戴应用推向更加广泛的消费市场。ADI一直积极参与穿戴式医疗电子领域,持续提升对相关的电源管理、MEMS技术、模拟混合信号处理芯片产品的投入,致力于推出一系列适合穿戴式医疗需求的半导体产品。

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