评估可穿戴设计的能量收集技术

过去几年里涌现出了大量可穿戴电子产品，所面临的共同难题之一就是电池使用寿命问题。 许多智能手表必须天天充电，而更多的专业健身设备虽然工作时间很长，但在功能和连接性方面仍存在不足。由于越来越多地要求与互联网以及物联网中的其它设备连接，设计中的无线和计算元件对电源的要求也越来越高。同样，节能显示器技术也在进步，而且对于更丰富的用户接口的不断需求正推高此类设备的电源要求。

该难题的解决方法之一就是增加从环境中收集能量的能量收集技术的使用。这种方法可用于向电池提供稳定的涓流，从而延长可穿戴设备的充电间隔并以此提升终端设计的吸引力。

然而，使用这些技术是面临四个工程难题：电能的产生、电能的管理和存储、收集元件的尺寸以及成本。多年以来，在新型能量收集方面已进行了大量研究，但大部分研究还未能推出可以上市的设备。

可穿戴设备本身就需要接近人体，这就提供了多种电能来源的获取途径，因此具有一些关键优势。

电能的产生

现有多种能从环境为可穿戴设备产生电能的方法，但在工程方面各有优劣。其中，最成熟的一种便是多年来一直在为传统手表提供电力的太阳能技术。太阳能电池，如 Panasonic BSG 的 Amorton 和 IXYS 的器件，能直接利用日光供电，且现在已能利用室内照明供电。正如 Silicon Labs 的开发套件展示的那样，这些器件使用小占空比，能产生足够的电能，驱动无线链路长达十五年。

图 1：Silicon Labs 采用太阳能电源的能量收集评估板。

此外，该评估板外形扁平，电池高度仅 0.17 mm，这是进行可穿戴设备设计时的另一关键注意事项。 此处的低功耗控制器——Si1012 无线 MCU 是关键器件，能保持仅消耗 50 nA 的低功耗状态。 能量收集电源在启用时的漏泄电流约 3 μA，且只需低至 50 勒克斯光照射太阳能电池即可抵消。这使得能量收集电源能在长达七天的黑暗环境下向系统供电，或者如果有一个能补足损失能量的周期性光源，就能无期限期向为系统供电。 该系统在室内 200lx 和户外 10，000lx 光源下均能工作。

然而，这里关注的仅是无线连接而非系统总功耗要求。对于进行定期测量并将测量值反馈回集线器的健身设备，这是一种理想的长使用寿命方法。