僅擁有走路或跑步計步器等簡單功能的穿戴式裝置，正快速演進至更智慧化的產品。從因應聽障人士需求的語音振動轉換背心、先進的健身活動追蹤器到夜視裝置，甚至平視成像顯示器等，穿戴式裝置已經成為消費性、軍用和工業市場的一部分。
「穿戴式產品」可定義為具備以下特點的產品：用戶穿戴在身上較長時間，而且由於穿戴了該產品而在某種程度上擁有更好的體驗。「智慧化」穿戴式產品，則是指增加了聯網能力和獨立資料處理能力。
穿戴式產品從應用上可分成以下五種類別：健身/保健(活動監視器、健身帶、足部感測器和心率監視器)、資訊娛樂(智慧眼鏡/護目鏡、智慧手表和成像裝置)、軍用(夜視裝置、平視顯示器、人體外骨骼和智慧服裝)、工業(佩戴在身上的終端裝置)，這些產品的採用率是由不同的市場力量驅動的。
就軍用類別而言，人們希望的是提高作戰效能以及對周圍情況的感知、地圖/路徑識別和拯救生命的能力。工業類別的主要驅動力則是提高生產線效率和追蹤功能。而資訊娛樂類別的主要驅動力，則來自爆炸性成長的遊戲市場，因而須採用尖端成像及虛擬實境技術，以及增加能夠無線連接智慧手機的功能，以成為物聯網(IoT)裝置的一環。最後，保健與醫療市場的主要動力包括延長平均壽命、抑制不斷上升的醫療和保險費用、希望保持健康生活，以及縮短住院時間。
即時量測生物資料 改變傳統醫療模式
有關健康的生物統計資料，所指的是衡量人體基本機能的生命徵象資料，包括體溫、脈搏/心率、呼吸頻率和血壓。這些生命徵象資料至關重要，因為這些資料中如果出現不好的變化，可能意味著健康狀態的下降，反之亦然。為了測量這些生物統計資料，醫院和醫生診室中當然配備了齊全、昂貴的裝置。
不過，想像一下，如果不須要去醫院就可以高效率地測量這些資料，而且不用花費許多金錢，那麼生活品質會有多大改變？例如，人們在家中或工作場所可以按照當時生命徵象資料即時調整生活和行為方式，這可以改善健康水準並有可能延長甚至挽救生命。
幸運的是，由於製造成本大幅下降，及先進的感測器技術不斷進步，因此智慧醫療保健穿戴式裝置得以持續激增。這類穿戴式裝置包括較簡單並可佩戴在身上的「單一生命徵象」測量產品，也包括較複雜和到處都是感測器的人體外骨骼裝置。
不過，從積體電路(IC)電子產品角度來看，劃分這些穿戴式裝置的組成以及為這些裝置高效供電並非微不足道之事。為了進一步理解這一點，接下來看看一個典型的智慧穿戴式裝置的內部組成。
智慧型穿戴式裝置務求輕巧舒適
一般而言，一款智慧穿戴式裝置的核心架構包括以下幾個部分：一個微處理器(MPU)或微控制器(MCU)或類似IC、某些微機電系統(MEMS)感測器、小型機械傳動器、全球衛星定位系統(GPS)IC、藍牙/蜂巢式/Wi-Fi連接以採集/處理和同步資料、成像電子元件、運算資源、可再充電或主(非可再充電)電池或電池組、支援性電子元件等等。
穿戴式裝置的主要設計要求通常是精小的外形尺寸、重量很輕以達到容易穿戴與舒適性，以及超低能耗，以延長電池執行時間及壽命。不過，以最低電流準確且高效地給這些裝置供電並非如此簡單。
穿戴式裝置供電設計不易
與智慧穿戴式裝置供電有關的主要問題非常多，例如在電池供電裝置中，電源管理IC的電流消耗要很低，這對延長執行時間是至關重要的，必須使用微功率或毫微功率轉換IC。MEMS感測器則須要採用穩定和低雜訊的電源供電，動作頻繁的傳動器也能從中受益。低壓降(LDO)或低漣波開關穩壓器就非常適合這類電源軌，因為這類穩壓器具備很低的輸出雜訊。
此外，藍牙/射頻(RF)/Wi-Fi/蜂巢式連接系統電源軌也要求低雜訊，低壓差穩壓器或LDO後置調節開關穩壓器(因輸出電流可能很高)或低漣波開關穩壓器是非常好的選擇。至於處理器(穿戴式裝置的「大腦」)電源，從安謀國際(ARM)Cortex微控制器(MCU)、數位訊號處理器(DSP)、全球衛星定位系統(GPS)晶片到現場可編程閘陣列(FPGA)，都需要各種低壓電源軌以涵蓋整個電流範圍，這些晶片可以由LDO或開關穩壓器供電。
還須要考量的是，不是所有穿戴式裝置都由可再充電電池供電，有些裝置係使用主(非可再充電)電池，這類電池要求每次更換之間可運行較長時間，因此找到一種估計電池執行時間的方法是個關鍵。另外，精小的尺寸和相當輕的重量可讓用戶感覺更加舒服，而封裝精小的IC可構成面積很小的解決方案，能使穿戴式裝置外形小且重量輕。
超低靜態電流IC符合穿戴設計要求
顯然地，滿足穿戴式應用需求並解決上述電源相關問題的IC解決方案應該具備以下幾項特點：
幸運的是，已經有廠商推出相關產品，例如凌力爾特(Linear Technology)的超低靜態電流降壓穩壓器LTC3388/-x、毫微功率能量採集穩壓器LTC3331，以及整合了庫倫計數器的升降壓轉換器LTC3335，都已經具備上述大多數特點。
LTC3388是一款超低靜態電流同步降壓穩壓器，可運用2.7伏特(V)至20伏特輸入電源提供高達50毫安培(mA)的連續輸出電流。其無負載工作電流僅為720奈安培(nA)，因此非常適合多種電池供電和低靜態電流應用。其同步遲滯整流在寬廣的負載電流範圍內優化了效率。
該元件在15微安培(μA)至50毫安培負載範圍內還提供超過90%的效率，而且在穩壓時的無負載靜態電流僅為720奈安培(nA)，因此可延長電池壽命。3毫米(mm)×3毫米矩形平面無接腳(DFN)封裝(或MSOP-10)和僅五個外部元件的結合，為多種低功率應用提供了精小和非常簡單的解決方案。圖1顯示了LTC3388的典型應用電路。
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| 圖1 LTC3388-1/-3典型應用電路 |
LTC3335則是一款毫微功率高效率同步升降壓轉換器，內建的精確庫倫計數器提供高達50毫安培的連續輸出電流。該元件具備僅680奈安培的靜態電流和從低至5毫安培直至高達250毫安培的可編程峰值輸入電流，非常適合多種低功率電池應用(例如穿戴式裝置和物聯網裝置中的電池應用)。
此外，在長壽命非可再充電電池供電應用中，該元件所整合的精準(電池放電測量準確度為±5%)庫倫計數器可準確監視累計電池放電量，這類應用在許多情況下具備極度平坦的電池放電曲線。典型應用包括無線感測器、遠端監視器和Dust Networks SmartMesh系統。LTC3335包括四個內部低RDSON MOSFET，可提供高達90%的效率。其他特點包括可編程放電報警門檻、一個用來獲取電荷量數值及設定元件的I2C介面、一個電源良好輸出以及八個5∼250毫安培的可選峰值輸入電流，以適應多種類型和尺寸的電池。圖2顯示了典型的LTC3335應用電路。
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| 圖2 簡化的LTC3335應用原理圖 |
LTC3331是一款完整的能量採集解決方案，當可採集能量可用時，提供高達50毫安培的連續輸出電流以延長電池壽命。其整合了一個高壓能量採集電源、一個電池充電器和一個同步升降壓直流對直流(DC-DC)轉換器，為諸如無線感測器網路中的能量採集應用等提供單一連續穩壓輸出。能量採集電源由一個接收交流(AC)或直流輸入的全波橋式整流器和一個高效率降壓轉換器組成，從壓電(AC)、太陽能(DC)或磁性(AC)能源採集能量。
當沒有環境能量可採集時，可再充電電池輸入給升降壓轉換器供電，該轉換器可在高達4.2伏特的整個電池電壓範圍內操作，無論輸入高於、低於或等於輸出都可達到穩定。當採集能源不再可用時，LTC3331自動轉換到電池。圖3顯示了LTC3331的典型應用電路。
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| 圖3 LTC3331典型應用電路 |
智慧穿戴式裝置將更加普及
智慧穿戴式裝置市場近年來已出現爆炸性成長，並出現了因應保健與健身、醫療、資訊娛樂、軍用和工業應用領域的多種產品。包括使用感測器的醫療保健穿戴式裝置在內的新一波產品，都可達到監視關鍵生物統計資訊的功能，例如在醫院以外測量心率和血壓，這為採用更加積極、健康的生活方式帶來新的機會。智慧穿戴式裝置的核心架構視產品類型而定，但基本上由一個微控制器、MEMS感測器、無線連接電路、電池和支援性電子元件組成，而為小電流穿戴式裝置供電非常具挑戰性，因此關鍵設計至為重要。
(本文作者任職於凌力爾特)