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如何在可穿戴式设计中实现超低功耗及可穿戴式产品充电常见问题解答
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在可穿戴式设计中实现超低功耗的3大要诀
您是否盼望能开发像手表、血氧计或血压监测仪这样的可穿戴式设备？智能手表所需的小尺寸和高级功能给系统设计人员带来了两个基本挑战：您将如何在规定的封装内塞进您需要的一切？您如何给设备供电？
这里有三种解决方案，能在可穿戴式电子产品中实现超低功耗运行：
1.尽可能在待机模式下运行
实现较长电池寿命的关键是：通过减少没必要的系统活动让运行时的电流消耗最低。这意味着除关闭某些功能外，还要在微控制器的睡眠或待机模式以及电源的省电模式下运行。例如，当用户不看他（或她）的手表时，关掉手表的显示屏。或当SimpleLink Bluetooth 低能耗CC2541无线微控制器（MCU）能只通过睡眠定时器而非定时器1运行时，电源电流从大约90μA降低到仅为0.6μA —— 省电率超过99％！此外，任何后台任务在代码内必须是由中断驱动的。这样，微控制器就能尽量一直在睡眠模式下运行，只有当中断命令它时才唤醒。
2.使待机模式下的电流消耗最低
一种关键的技术驱动因素是在这些待机模式下减少汲取的电流。例如，采用EnergyTrace++ 技术的MSP430F59xx（FRAM）微控制器在待机模式下仅消耗450nA的电流，这得归功于其极低泄漏的FRAM存储器。如果您用TPS82740A为该微控制器供电，那么当您供电时即便该微控制器略有漏电，从单节锂离子电池汲取的电流大约也只有750nA。在这种情况下，360nA的静态电流（IQ）与DCS-Control拓扑结构这两大优势珠联璧合，当然能实现这样低的待机功耗。如果您的电流消耗真有那么低，您必定需要负载开关来断开已关掉的子系统（根据其电源电压），以免它们从系统泄漏电流。
3.进行集成以节省宝贵的印刷电路板（PCB）空间
由于您已将功耗降到了一个合理的水平，因此电池就不需要每天充电了。第二道难题是空间问题 —— 您打算把一切器件（微控制器、传感器、电源、电池等）放置到哪里？对于该挑战，集成法可帮您大忙。TPS82740A是MicroSIP器件，它集成了所有必需的无源组件以及一个负载开关！这比具有相同超低功耗性能（已优化）的分立式TPS62740型实施方案小75％以上。此外，MSP430F59xx还集成了多种功能，如温度传感器功能、差分输入模数转换器功能、8选1多路复用器LCD显示器驱动器功能和256位加密功能。只需添加一块电池和一些其它的系统专用传感器，您基本上就大功告成了！
在待机模式下运行、使待机模式下的电流消耗最低、进行集成以节省电路板空间 —— 这三种方法可让您的下一个可穿戴式设计大获成功。
为可穿戴式产品充电的3类常见问题
当设计可穿戴式应用时，我们已发现了一些与充电器相关的常见问题。在这里，让我们看一些最常被咨询的问题。
问：哪种线性充电器最适合我的应用？
答：当为特定应用选择合适的充电器时，您应该考虑多种因素：功率水平、尺寸、电池类型等。
以TI充电器产品组合中不同的充电器为例。bq24232是一种线性充电器，具有500mA的充电电流和电源路径的特性。该解决方案的体积约为3.5mm × 4.5mm2，包括必要的电阻器和电容器。这对需要系统即时开启功能且空间不受限的应用而言是绝佳的选择。
如果电路板空间是受限的，那么bq24040可提供一个2.5mm × 3.5mm2的解决方案。该充电器可支持10mA至1A的充电电流，并具有充电状态指示和可编程的预充电和终止速率。由于其灵活性，该器件成为低功耗应用中最广泛使用的线性充电器之一。但bq24040的最小终止电流为6mA，这对超小型电池而言可能太大了。因此，对于尺寸和电池容量均非常小的应用（如助听器），bq25100是很好的选择。该集成电路（IC）本身的封装尺寸仅为1.6mm × 0.9mm，解决方案总体积也很小，只有2.1mm × 2.2 mm2。此外，该IC可在电流小于1mA时终止充电，并为小型电池延长运行时间。
当挑选充电器时，电池电压是另一个决定因素。bq24232和bq24040产品系列都有4.2V和4.35V的选项。bq25100则多提供了两个选项（4.3V和4.06V的选项），以满足可穿戴式应用的特殊需求。
问：为什么我的电池会在其充满电之前终止充电？
答：有几种情况可能会导致提前终止充电。首先，检查输入电压（VIN）引脚处的输入电压是否稳定并高于VBAT + VIN_DT。大多数TI充电器均有一个电源状态良好检测阈值（VIN_DT），该阈值是VIN和VBAT的差值。一旦VBAT增加且所述差值低于该阈值，充电就会终止。该阈值的典型值约为80mV。
其次，确定电池跟踪电阻是否很小。有时，引线本身具有很大的电阻（达1Ω），这将导致300mV的电压降以及300mA的充电电流。在这种情况下，即使电池电压只有3.9V，充电器VBAT引脚的电压也会达到4.2V，并因此终止充电。
第三，确保为安全定时器设置了正确的值。对bq24232来说，可为安全定时器设置两小时到八小时的时间；一旦该定时器超时充电就会终止。如果充电电流过小且为安全定时器设置的时间过短，就有可能在电池充满电之前停止充电。
问：我如何能消除小充电电流的振荡？
答：大部分时间里，输入与输出电容均可帮助稳定输入与输出电流。但在某些情况下（尤其当充电电流非常小时），电流程序引脚（例如ISET引脚）处的寄生电容会引起振荡，这时输入与输出电容就不再是合适的解决方案了。
对bq25100而言，如果充电电流小于50mA，那么我建议添加一个与ISET电阻器并联的电阻器/电容器（RC）补偿电路（图3）。这对于由ISET引脚处存在的寄生电容带来的电流调节环路不稳定可起到有效的补偿作用。
图3：BQ25100的补偿电路
您是否盼望能开发像手表、血氧计或血压监测仪这样的可穿戴式设备？智能手表所需的小尺寸和高级功能给系统设计人员带来了两个基本挑战：您将如何在规定的封装内塞进您需要的一切？您如何给设备供电？
这里有三种解决方案，能在可穿戴式电子产品中实现超低功耗运行：
1.尽可能在待机模式下运行
实现较长电池寿命的关键是：通过减少没必要的系统活动让运行时的电流消耗最低。这意味着除关闭某些功能外，还要在微控制器的睡眠或待机模式以及电源的省电模式下运行。例如，当用户不看他（或她）的手表时，关掉手表的显示屏。或当SimpleLink Bluetooth 低能耗CC2541无线微控制器（MCU）能只通过睡眠定时器而非定时器1运行时，电源电流从大约90μA降低到仅为0.6μA —— 省电率超过99％！此外，任何后台任务在代码内必须是由中断驱动的。这样，微控制器就能尽量一直在睡眠模式下运行，只有当中断命令它时才唤醒。
2.使待机模式下的电流消耗最低
一种关键的技术驱动因素是在这些待机模式下减少汲取的电流。例如，采用EnergyTrace++ 技术的MSP430F59xx（FRAM）微控制器在待机模式下仅消耗450nA的电流，这得归功于其极低泄漏的FRAM存储器。如果您用TPS82740A为该微控制器供电，那么当您供电时即便该微控制器略有漏电，从单节锂离子电池汲取的电流大约也只有750nA。在这种情况下，360nA的静态电流（IQ）与DCS-Control拓扑结构这两大优势珠联璧合，当然能实现这样低的待机功耗。如果您的电流消耗真有那么低，您必定需要负载开关来断开已关掉的子系统（根据其电源电压），以免它们从系统泄漏电流。
3.进行集成以节省宝贵的印刷电路板（PCB）空间
由于您已将功耗降到了一个合理的水平，因此电池就不需要每天充电了。第二道难题是空间问题 —— 您打算把一切器件（微控制器、传感器、电源、电池等）放置到哪里？对于该挑战，集成法可帮您大忙。TPS82740A是MicroSIP器件，它集成了所有必需的无源组件以及一个负载开关！这比具有相同超低功耗性能（已优化）的分立式TPS62740型实施方案小75％以上。此外，MSP430F59xx还集成了多种功能，如温度传感器功能、差分输入模数转换器功能、8选1多路复用器LCD显示器驱动器功能和256位加密功能。只需添加一块电池和一些其它的系统专用传感器，您基本上就大功告成了！
在待机模式下运行、使待机模式下的电流消耗最低、进行集成以节省电路板空间 —— 这三种方法可让您的下一个可穿戴式设计大获成功。
为可穿戴式产品充电的3类常见问题
当设计可穿戴式应用时，我们已发现了一些与充电器相关的常见问题。在这里，让我们看一些最常被咨询的问题。
问：哪种线性充电器最适合我的应用？
答：当为特定应用选择合适的充电器时，您应该考虑多种因素：功率水平、尺寸、电池类型等。
以TI充电器产品组合中不同的充电器为例。bq24232是一种线性充电器，具有500mA的充电电流和电源路径的特性。该解决方案的体积约为3.5mm × 4.5mm2，包括必要的电阻器和电容器。这对需要系统即时开启功能且空间不受限的应用而言是绝佳的选择。
如果电路板空间是受限的，那么bq24040可提供一个2.5mm × 3.5mm2的解决方案。该充电器可支持10mA至1A的充电电流，并具有充电状态指示和可编程的预充电和终止速率。由于其灵活性，该器件成为低功耗应用中最广泛使用的线性充电器之一。但bq24040的最小终止电流为6mA，这对超小型电池而言可能太大了。因此，对于尺寸和电池容量均非常小的应用（如助听器），bq25100是很好的选择。该集成电路（IC）本身的封装尺寸仅为1.6mm × 0.9mm，解决方案总体积也很小，只有2.1mm × 2.2 mm2。此外，该IC可在电流小于1mA时终止充电，并为小型电池延长运行时间。
当挑选充电器时，电池电压是另一个决定因素。bq24232和bq24040产品系列都有4.2V和4.35V的选项。bq25100则多提供了两个选项（4.3V和4.06V的选项），以满足可穿戴式应用的特殊需求。
问：为什么我的电池会在其充满电之前终止充电？
答：有几种情况可能会导致提前终止充电。首先，检查输入电压（VIN）引脚处的输入电压是否稳定并高于VBAT + VIN_DT。大多数TI充电器均有一个电源状态良好检测阈值（VIN_DT），该阈值是VIN和VBAT的差值。一旦VBAT增加且所述差值低于该阈值，充电就会终止。该阈值的典型值约为80mV。
其次，确定电池跟踪电阻是否很小。有时，引线本身具有很大的电阻（达1Ω），这将导致300mV的电压降以及300mA的充电电流。在这种情况下，即使电池电压只有3.9V，充电器VBAT引脚的电压也会达到4.2V，并因此终止充电。
第三，确保为安全定时器设置了正确的值。对bq24232来说，可为安全定时器设置两小时到八小时的时间；一旦该定时器超时充电就会终止。如果充电电流过小且为安全定时器设置的时间过短，就有可能在电池充满电之前停止充电。
问：我如何能消除小充电电流的振荡？
答：大部分时间里，输入与输出电容均可帮助稳定输入与输出电流。但在某些情况下（尤其当充电电流非常小时），电流程序引脚（例如ISET引脚）处的寄生电容会引起振荡，这时输入与输出电容就不再是合适的解决方案了。
对bq25100而言，如果充电电流小于50mA，那么我建议添加一个与ISET电阻器并联的电阻器/电容器（RC）补偿电路（图3）。这对于由ISET引脚处存在的寄生电容带来的电流调节环路不稳定可起到有效的补偿作用。
图3：BQ25100的补偿电路
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