穿戴式裝置能源擷取無線充電物聯網

能源擷取搭配無線充電技術　穿戴式裝置電池壽命更持久

2014-02-10

黃昭仁/朱元華/黃立仁

物聯網(Internet of Things, IoT)的運作類似人類神經，可收集周遭環境的資訊並匯集成一個方便讓人們了解資訊，而讓人們最適合了解資訊的途徑莫過於隨身攜帶的眼鏡、手表或戒指。

無論是周遭資訊站連結雲端服務所取得的氣象、氣溫甚至購物資訊；手機的未接來電、簡訊、未閱讀的郵件；社交網站臉書(Facebook)、Twitter或Google+的訊息；鞋子記錄行走的路線以及消耗的卡路里；甚至由智慧手表(Smart Watch)或戒指上的感測器所感測的心律變異度(Heart Rate Monitor, HRM)及體溫，穿戴式電子裝置的使用者皆可隨時透過低功耗無線網路進行相關的資料傳輸，以隨時掌握(圖1)。

圖1　物聯網穿戴式裝置概念

許多大廠如英特爾(Intel)、安謀國際(ARM)、三星(Samsung)、高通(Qualcomm)等等，近年來積極的針對具有物聯網功能的穿戴式裝置提出各種方案，以加速消費性市場發展，但智慧型穿戴式裝置隨著功能越強大卻伴隨著更大的能源消耗，各廠商除了不斷的加入省電機制來維持一定的電池壽命外，也須要積極地改變傳統電池構造或是導入更快速更方便的充電方案，來滿足使用者的不同需求，而能源擷取與轉換技術以及智能動態功耗控制即是各廠商積極開發的秘密武器，期占有穿戴式裝置市場的先機與優勢。

儲能技術升級穿戴式裝置外型設計更具彈性

圖2　穿戴式戒指裝置概念

物聯網穿戴式裝置如眼鏡、手表、戒指、皮帶或鞋子等，可用來收集周遭環境和身體狀況的資訊。過去智慧化電子裝置須要埋入一個固定形狀大小的電池，以提供能源讓系統使用，然而隨著智慧化功能增加，能源消耗也相對龐大，因此只靠傳統的電池技術將使智慧穿戴式裝置難以實現。這種情況目前已經被樂金化學(LG Chem)所發表的可撓式電池(圖2)技術打破，未來表帶、皮帶甚至鞋子表面都可以做為是能源儲存裝置，來供電給智慧裝置使用，以達到更長的電池壽命，使穿戴式裝置邁向一大步。

借力環境能源擷取技術隨時隨地保持充沛電力

未來物聯網穿戴式裝置可利用各種感測器及資訊端點提供訊息，包含地震、氣象、手機及身體健康資訊等等，透過光電能源擷取以及表面搭載的透明顯示器，將可以利用環境光源進而降低笨重電池的體積與重量，對裝置補充能量並延長電池壽命，實現輕巧且長時操作的特色。

圖3　各種能源擷取器

搭載多種能源擷取(Energy Harvesting)技術是有效的辦法之一，而能源擷取泛指周遭可以容易取得的能源，如光能、熱能或是震動能等等。光能透過太陽能電池可吸收光並轉換成電能，熱能則是透過熱溫差的熱交換行為，經由材料特性轉換成電能，震動能則是藉由材料的形變產生電能，藉由整合這三種能源擷取技術來提升電池壽命(圖3)。

能源擷取器(Energy Harvester)都有一個最佳操作點，才能得到最大功率輸出，但以光電及熱電材料會面臨低電壓輸出問題導致一般電源管理晶片無法轉換並正常提供給後端應用系統使用，所以實現低電壓冷啟動及低功耗最大功率點追蹤 (MPPT)方法成為最重要的技術。

圖4　太陽能板及熱電材料的電氣特性

工研院、凌力爾特(Linear Technology)及德州儀器(Texas Instruments, TI)等等，都是早期投入技術開發的廠商。工研院從2009年開始投入穿戴式裝置的能源擷取技術開發，目前已經可實現300毫伏特(mV)冷啟動電壓轉換及具有390奈安培(nA)超低功耗之繞動分析演算法的MPPT相關技術，實現最少元件之能源轉換。凌力爾特推出的LTC3105可實現從250毫伏特冷啟動電壓，適用於光電轉換；LTC3108採用變壓器技術，可實現從20毫伏特冷啟動電壓轉換，適用於熱電轉換。德州儀器推出bq25504，達到350奈安培超低功耗之能源轉換器，實現開迴路電壓運算的MPPT，並實現從330毫伏特冷啟動電壓轉換(圖4)。

無線快速充電技術讓穿戴式裝置更智慧

當穿戴式裝置處於能源耗盡的情況時，往往面對須要長時間充電的窘境，隨著智慧型物聯網穿戴式裝置的普及，眼鏡、手表、戒指甚至是鞋子都將可以成為提供物聯網資訊的裝置，但充電時間過長會導致使用者的困擾與麻煩，為了解決這個問題，各廠商開始研發無線充電技術，只要搭載一個功率線圈及無線充電模組，就可以將裝置放在充電板進行充電，並利用超級電容具有快速充放電的特性，能夠在極短時間內將大量能源儲存起來，並將能量逐漸地儲存於電池內，提供快速充電特色(圖5)。

圖5　整合能源擷取及無線快速充電的電源管理技術

無線充電技術標準以無線充電聯盟(WPC)Qi標準與電力事業聯盟(PMA)標準為主，目前已有德州儀器推出bq51013 RX和bq500110控制晶片；IDT也推出IDTP9020 RX及IDTP9030 TX整合式晶片，加速無線充電技術應用與普及。

智能動態功耗控制實現長效電池與元件壽命

數位電路以fCV2為計算功耗的基準，f代表運作頻率(Frequency)、C代表開關邏輯閘的等效電容值(Capacitance)、V代表操作電壓(Voltage)，所以實現低功耗最快的方法是降低電壓，可以帶來立即的效果，再來就是降低運作頻率以及精簡電路，為其次降低功耗的手段。

降低電壓並不是容易的設計，隨著電晶體接近臨界電壓，其開關速度會開始銳減，但為了保持一定的操作速度，必須要針對各種邏輯閘進行分析及重新設計，以實現在低電壓操作下還可以有足夠的速度進行運算。英特爾和工研院都已經投入低電壓低功耗的電路技術，英特爾以32奈米(nm)製程技術，實現x86中央處理器(CPU)可以在280毫伏特電壓下運作，而工研院以65奈米製程技術，分別實現H.264影像壓縮技術以及助聽器(Hearing Aid)音頻調變技術，可在600毫伏特電壓下運作。

實現長效電池壽命並有效地利用電力，已成為各廠商的主要開發重點，智能動態功耗控制是一個關鍵點，如何在不同的使用情境下，搭配適合的運作頻率、操作電壓及邏輯控制顯得格外重要。雖然英特爾在智能動態功耗控制技術領先許多，但由於處理器架構而導致穿戴式裝置還是以安謀國際(ARM)的低功耗處理器架構具有較高的能源運算比優勢。

在低電壓操作情境下，頻率運作無法太快，所以當有大量的資訊須要處理時，就須要提高電壓才能加快操作頻率以處理大量的運算(圖6)。